Инновационные материалы для суперконденсаторов из отходов

Что делать бутылки с водой, яйца, конопляи цемент есть общее? Их можно сконструировать в странные, но функциональные, накопитель энергии устройства под названием суперконденсаторы.

Как следует из названия, суперконденсаторы похожи на конденсаторы с большей емкостью. Подобно батарее, они могут хранить много энергии, но также могут быстро заряжаться или разряжаться, подобно конденсатору. Обычно их можно найти там, где требуется много энергии быстро и в течение ограниченного времени, например, в качестве почти мгновенного резервного источника электроэнергии для завода или центра обработки данных.

Обычно суперконденсаторы состоят из двух активированных углей или графен электроды, электролиты для введения ионов в систему и пористый лист полимера или стекловолокна для физического разделения электродов. Когда суперконденсатор полностью заряжен, все положительные ионы собираются на одной стороне разделительного листа, а все отрицательные ионы — на другой. Когда он разряжен, ионы распределяются случайным образом, и он может переключаться между этими состояниями гораздо быстрее, чем батарейки может.

Некоторые учёные полагают, что суперконденсаторы могут стать более супер. Они считают, что есть потенциал сделать эти устройства более экологичными, более дешевыми и, возможно, даже более эффективными, если они будут изготовлены из более качественных материалов.

И, возможно, они правы. В прошлом месяце группа из Мичиганского технологического университета сообщила о создании суперконденсаторов из пластиковых бутылок с водой, емкость которых выше, чем у коммерческих.

Означает ли это открытие, что суперконденсаторы из переработанного пластика скоро будут повсюду? История подобного суперконденсатора устойчивость эксперименты показывают, что нет.

Лет пятнадцать назад это казалось, что суперконденсаторы будут пользоваться большим спросом— затем, из-за огромных инвестиций в литий-ионный технология, батарейки стала жесткая конкуренция, объясняет Yury Gogotsiкоторый изучает материалы для накопителей энергии в Дрексельский университет. «Они стали настолько дешевле и быстрее доставлять энергию, что диапазон применения суперконденсаторов стал более ограниченным», — говорит он. «По сути, тенденция пошла от того, чтобы сделать их более дешевыми и доступными, к тому, чтобы заставить их работать там, где литий-ионные аккумуляторы не могу».

Тем не менее, некоторые исследователи сохраняют надежду, что экологически чистые устройства найдут свое место на рынке. Юн Ханг Хуученый-материаловед из команды Мичиганского технологического университета, видит «многообещающий путь к коммерциализации [for the water bottle-derived supercapacitor] как только будут решены проблемы сбора и обработки», — говорит он.

Вот как ученые создают суперконденсаторы из странных, неожиданных материалов:

Бутылки с водой

Оказывается, твой старый Польша Родниковая бутылка однажды сможет хранить энергию вместо воды. Последний месяц в журнале Энергетика и топливоКоманда Мичиганского технологического университета опубликовала новый метод переработки полиэтилентерефталата (ПЭТ), материала, из которого изготавливаются одноразовые пластиковые бутылки для воды, в электроды и сепараторы.

Каким бы странным это ни казалось, этот процесс представляет собой «практический проект кругового хранения энергии, который может использоваться в существующей цепочке поставок ПЭТ», — говорит Ху.

Чтобы сделать электроды, исследователи сначала измельчили бутылки на двухмиллиметровые зерна, а затем добавили порошкообразный гидроксид кальция. Они нагревали смесь до 700 °C в вакууме в течение трех часов и получали электропроводящий углеродный порошок. После удаления остаточного кальция и активации углерода (увеличения площади его поверхности) порошку можно было сформировать тонкий слой и использовать его в качестве электрода.

Процесс изготовления сепараторов был гораздо менее трудоемким: команда разрезала бутылки на квадраты размером примерно с четверть доллара США и использовала горячие иглы, чтобы проделать в них отверстия. Они оптимизировали рисунок отверстий для прохождения тока с помощью специализированного программного обеспечения. ПЭТ — хороший материал для сепаратора из-за его «превосходной механической прочности, высокой термической стабильности и превосходной изоляции», — говорит Ху.

Полученный суперконденсатор, наполненный раствором электролита, не только продемонстрировал потенциал для экологичного и экономичного использования материалов, но и немного превзошел традиционные материалы по одному показателю. Устройство ПЭТ имело емкость 197,2 Фарад на грамм, а аналогичное устройство со стекловолоконным сепаратором имело емкость 190,3 Фарад на грамм.

Яйца

Подождите, пока не делайте бутерброд на завтрак! Вместо этого вы можете сконструировать суперконденсатор из одного из ваших ингредиентов. В 2019 году команда Университета Вирджинии показал что электроды, электролиты и сепараторы могут быть изготовлены из частей одного объекта — яйца.

Сначала группа купила куриные яйца в продуктовом магазине и разделила их части на яичную скорлупу, оболочки яичной скорлупы, а также белки и желтки.

Они измельчили скорлупу в порошок и смешали ее с яичными белками и желтками. Взвесь сушили вымораживанием и доводили до температуры 950°C в течение часа для разложения. После процесса очистки для удаления кальция команда провела обработку теплом и калием, чтобы активировать оставшийся углерод. Затем они превратили полученный из яиц активированный уголь в пленку, которую можно было использовать в качестве электродов. Наконец, смешав яичные белки и желтки с гидроксидом калия и дав им высохнуть в течение нескольких часов, они образовали своего рода гелевый электролит.

Чтобы сделать сепараторы, группа просто очистила мембраны яичной скорлупы. Поскольку мембраны естественным образом состоят из переплетенных волокон микронного размера, их внутренняя структура позволяет ионам перемещаться через них так же, как это делают промышленные сепараторы.

Интересно, что полученный суперконденсатор, полностью изготовленный на основе яйца, оказался гибким: его емкость оставалась постоянной, даже когда устройство скручивали или сгибали. После 5000 циклов суперконденсатор сохранил 80 процентов своей первоначальной емкости — низкий показатель по сравнению с коммерческими суперконденсаторами, но вполне на уровне других, изготовленных из натуральных материалов.

Конопля

Некоторым людям может понравиться конопля для более медицинских целей, но у него также есть потенциал для хранения энергии. В 2024 году группа из Университета Ондокуз Майис в Турции использовал растения граната и конопли для производства активированного угля для электрода.

Они начали с сушки стеблей растений конопли в духовке при температуре 110 °C в течение дня, а затем измельчили стебли в порошок. Затем они добавили серную кислоту и нагрели, чтобы создать биоуголь, и, наконец, активировали уголь, насытив его гидроксидом калия и снова нагрев.

После 2000 циклов суперконденсатор с электродами из конопли по-прежнему сохранял 98 процентов своей первоначальной емкости, что, как ни удивительно, находится в пределах емкости, изготовленной из небиологических материалов. Сам углерод имел плотность энергии 65 ватт-часов на килограмм, что также соответствует коммерческим суперконденсаторам.

Цемент

Возможно, он имеет влияние на строительную отрасль, но поступает ли цемент в энергетический секторслишком? В 2023 году группа из С общий как они разработали электроды из воды, почти чистого углерода и цемента. По их словам, использование этих материалов создает «синергию» между гидрофильным цементом и гидрофобным углеродом, что СПИД способность электродов удерживать слои ионов при заряде суперконденсатора.

Чтобы проверить гипотезу, команда создала восемь электродов, используя несколько разные пропорции трех ингредиентов, разные типы углерода и разную толщину электродов. Электроды насыщались хлоридом калия — электролитом — и начинались измерения емкости.

Впечатляет то, что цементные суперконденсаторы смогли сохранить емкость с небольшими потерями даже после 10 000 циклов. Исследователи также подсчитали, что один из их суперконденсаторов может хранить около 10 киловатт-часов — достаточно, чтобы обеспечить около трети ежедневного энергопотребления среднего американца — хотя это число является лишь теоретическим.