Veijo Hänninen
Superkondensaattoreista ja mikroakuista
Materiaalitekniikan kehitys näkyy myös superkondensaattoreiden mutta erityisesti erilaisten mikroakkujen kehityksessä. Näiden kehitystä ohjaavat entistä huokoisemmat materiaalit sekä uusien ulottuvuuksien käyttöönotto.
Grafeeni on kiinnostanut tutkijoita paitsi akkujen mutta myös superkondensaattorien rakenneaineena.
Esimerkiksi vuonna 2012 Kalifornian yliopiston (UCLA) ja sen California NanoSystems Instituten tutkijat esittelivät kehittämänsä grafeenipohjaisen superkondensaattorin.
Akkuja kevyempiä superkondensaattoreita käytetään energian varastointiin monenlaisissa elektroniikan sovelluksissa. Ne voivat kestää jopa miljoonia varaus-purkauskertoja.
Erikoisinta UCLA:n ja NanoSystemsin työssä oli, että tutkijat käyttivät elektrodien tuottamiseen DVD-levyjen etikettitulostimen laseria. Sen avulla tutkijat pelkistivät alustalle tuotetun grafiittioksidin grafeeniksi ja saivat aikaa mekaanisesti vahvan kalvon, jolla on myös hyvä sähkönjohtavuus ja laaja pinta-ala.
Kalvoa voidaan käyttää sellaisenaan superkondensaattorien elektrodeina ilman erillisiä sidosaineita ja virtakeräimiä. Mekaanisesti vahvana rakenteena menetelmä sopisi erityisesti joustavan elektroniikan tarpeisiin.
Vastikään myös Ricen tutkijat polttivat laserilla edullisen polymeerin pintaa, poistaen siitä sen muita osia jolloin jäljelle jää vain kalvo huokoisia grafeenihiutaleita. Sellainen on johtavana materiaalina kuin täydellinen elektrodi superkondensaattoreille tai elektronisille piireille.
Tehokkaampia mikroakkuja
Nanotekniikka tarjoaa mahdollisuuksia myös erityisen pienten akkujen toteuttamiseen.
Keväällä 2013 University of Illinois at Urbana-Champaignin tutkijoiden esittelemä mikroakku ylittää tehokkuudessaan jopa parhaat superkondensaattorit.
Nykyisistä virtalähteistä, käyttäjät joutuvat valitsemaan tehotiheyden ja energiatiheyden välillä. Nämä mikroakut tarjoavat sekä tehotiehyttä että energiaa ja hieman rakennetta säätämällä tutkijat voivat säätää laajasti niiden virta/energia suhdetta.
Kehitetyn mikroakun suorituskyvyn perustana on monimutkaisella prosessilla tuotettu kolmiulotteinen mikrorakenne. Sen tehotiheys on jopa 7,4 mW cm-2 µm-1, mikä on yhtä suuri tai suurempi kuin parhailla superkondensaattoreilla ja 2000 kertaa suurempi kuin muilla mikroakuilla.
Mikroakkuja 3D-tulostuksella
Samana vuonna myös Harvardin ja Illinoisin at Urbana-Champaign yliopistojen yhteinen tutkijaryhmä tuotti kolmiulotteisella tulostustekniikalla hiekanjyvänkokoisia litium-ioni mikroakkuja.
Aiemmat mikroakkujen tekniikat perustuivat ohutkalvoille tuotetuille elektrodeille mutta juuri ohuudesta johtuen ne eivät varastoi tarpeeksi energiaa. Joten tutkijat ryhtyivät rakentamaan akkuaan alustasta ylöspäin 3D-tulostuksen avulla.
Tutkimus keskittyi paljolti erilaisten tarvittavien musteiden kehittämiseen mutta tuloksena oli tutkijoiden mukaan akkuja, joiden sähkökemiallinen suorituskyky on verrattavissa kaupallisiin akkuihin latauksen ja purkauksen sekä käyttöajan ja energiatiheyden suhteen.
Hybridejä kondensaattoreita
Michigan Techin tiedemiesten saavutukset voivat puolestaan johtaa parempiin kondensaattoreihin. Perustana on menetelmä kasvattaa mangaanidioksidisten nanosauvojen pystymetsä. Mangaanidioksidi on halpa, ympäristöystävällinen ja runsas materiaali. Kuitenkin, siitä tehdyiltä kemiallisilta kondensaattoreilta puuttuu tehotiheyttä.
Tutkijaryhmä kehitti tekniikan, jolla kasvattaa nanosauvoja, joiden rakenne minimoi sisäistä resistanssia, joten kondensaattori latautuu ja purkautuu nopeammin ja toimii pitempään.
Näin syntyneet kondensaattorit ovat fyysisten superkondensaattorien ja akkujen välillä olevia hybridejä. Ne tarjoavat molempien parhaat puolet eli niissä on energiatiheyttä kuten akuissa ja niistä saadaan enemmän tehotiheyttä kuin hiilipohjaisista kondensaattoreista.
Kehitetty kasvatusprosessi ei ole erityisen vaikea ja tutkijat ovat tehneet sitä jatkuvasti rullalta-rullalle tulostuksella.
Edullisempia superkondensaattoreita
Superkondensaattoreiden laajaa käyttöä on pidätellyt pääasiassa kustannukset ja vaikeus tuottaa laadukkaita hiilielektrodeja.
Vuonna 2014 Oregon State Universityn kemistit huomasivat, että selluloosaa voidaan lämmittää uunissa ammoniakin vaikutuksen alaisena, jolloin se muuttuu superkonkkien rakennusaineeksi.
Oregonilaisten lähestymistapa voi tuottaa typpiseostettuja nanohuokoisia hiilikalvoja eli superkondensaattorin elektrodeja edulliseen hintaan, nopeasti ja ympäristöystävällisellä prosessilla. Ainoa sivutuote on metaani, jota voidaan käyttää polttoaineena.
Prosessiin tuottamat hiilikalvot ovat erittäin ohuita - yhdellä grammalla voi olla pinta-alaa lähes
Huokoisuutta tupakantumpeista ja hampusta
Ryhmä Etelä-Korealaisia tiedemiehiä on puolestaan muuntanut käytettyjä tupakkafilttereitä materiaaliksi, jolla voisi olla käyttöä superkondensaattoreissa.
Tupakkafiltterit koostuvat suurelta osin selluosa-asetaatista, josta voidaan yksinkertaisella hiiltämisprosessilla tuottaa hiilirakenne, jolla on omanlainen huokoinen rakenne.
University of Albertan tutkijat ovat puolestaan selvittäneet, soveltuisivatko hampusta tuotetut hiilen nanoarkit superkondensaattorin perustaksi.
Ryhmä todella löysi tavan tehdä hampun sisemmästä osasta, joka yleensä menee biojätteeksi, grafeenin kaltaista hiiliä, joka myös suorituskyvyn osalta on grafeenin tasoista.
Kondensaattorirakenteessa kokeiltuna hamppuhiilielektrodit tuottivat energiatiheyden 12 wattituntia kiloa kohti, mikä on kaksi tai kolme kertaa suurempi kuin kaupallisten superkonkkien.
Grafeenia ja hiilinanoputkia
Myös George Washington yliopiston laboratoriossa on luotu edullinen ja tehokas superkondensaattorien rakenne. Sen ideana on sekoittaa grafeenihiutaleita yksiseinäisten hiilinanoputkien kanssa.
Monet ryhmät ovat yrittäneet soveltaa näitä kahta materiaalia erikseen, mutta harva oli keksinyt yhdistää niitä toteavat tutkijat tiedotteessaan. Näillä kahdella hiilen nanorakenteella on toisiaan täydentäviä ominaisuuksia.
Yhdistelmärakenteen grafeenihiutaleet tarjoavat suuren pinta-alan ja hyvän tasojohtavuuden, kun taas hiilinanoputket muodostavat rakenteet yhdistävän verkoston.
Edulliseksi valmistuksen tekee se, että tutkijat onnistuivat kehittämään menetelmän, jossa grafeenia ja hiilinanoputkia valmistuu samassa prosessissa.
Kuumentamalla puhdasta grafiittia luodaan plasmaa, josta magneettikentän avulla säädetään arkkien ja putkien seosta. Lisäksi seos voidaan ohjata saman tien halutulle alustalle.
Kalifornian Riverside -yliopiston tutkijat ovat puolestaan kehittäneet nanometriluokan ruteenioksidia, joka on ankkuroitu nanohiiliputkien ja grafeenin hybridivaahtoon.
Tällainen siirtymämetallioksidista ja nanohiiligrafeenivaahdosta muodostettu elektrodi voi toimia turvallisesti vedettömässä elektrolyytissä ja toimittaa kaksi kertaa enemmän energiaa ja virtaa kuin nykyiset kaupalliset superkonkat.
Tutkijoiden testeissä vaahtoelektrodi toimi yli 8000 työjaksoa suorituskyvyn hiipumatta. Kehitetty elektrodijärjestelmä tarjoaa myös helpon ja skaalautuvan sideaineista vapaan tekniikan valmistaa suurienergisiä superkondensaattorin elektrodeja.
Superkonkkia rakenteisiin
Jos voisi varastoida energiaa komponentteihin, joista voi tehdä rakenteita, se loisi uudenlaisia teknisiä mahdollisuuksia.
Vanderbilt-yliopiston laboratoriossa on äskettäin luotu superkondensaattoreita jotka paitsi varastoivat ja luovuttavat energiaa kestävät samalla staattisia ja dynaamisia voimia, kuten tärinää tai iskuja. Niihin voi kohdistua rasituksia ja paineita jopa 44 psin ja kiihtyvyyksiä yli 80 geen verran.
Näin luodaan materiaalia, jota voidaan käyttää paitsi energian varastointiin mutta myös erilaisin mekaanisiin rakenteisiin.
Näiden superkonkkien elektrodit ovat nanohuokoista piitä, joka on pinnoitettu elektrolyyttireaktioilta suojaavalla ultraohuella grafeenin kaltaisella hiilikerroksella. Elektrodien välissä on ionivarastona toimiva polymeerikalvo.
Esimerkiksi sähköauton rakenteisiin upotetut superkondensaattorit keventäisivät akkujen määrää ja painoa ja erityisesti antaisivat parempaa tehonantoa kiihdytysspurtteihin.
Tehokkaita materiaaleja superkonkille
Perinteisemmän superkondensaattorien kehittämisen parissa UCLA:n Kalifornian Nanosystems Instituten (CNSI) tutkijat kertoivat kesällä 2014 onnistuneensa kasvattamaan superkondensaattorien energiatiheyttä lyijyakkujen tasolle.
Tämä onnistuu kolmiulotteisella rei'itetyllä grafeenirakenteella. Sen pienet reiät lisäävät energiatiheyttä mutta mahdollistavat sähkökemiallisen kondensaattorin myös säilyttää niille tyypillisen korkean tehotiheyden.
Superkondensaattorin pääkomponentti on sen elektrodimateriaali, joka vastaa sen yleisestä suorituskyvystä. Nykyisten superkonkkien elektrodit ovat yleensä huokoista aktiivihiiltä, jolloin energiatiheys on 4 - 5 wattituntia per kilo kun se akuilla on 25 - 35 wattituntia per kilo.
Tutkijoiden kehittämä grafeenielektrodi tuotti toimivaksi superkonkaksi rakennettuna happoakkuja vastaava energiatiheyden 35 wattituntia per kilo.
Energiaa kaksiulotteisten materiaalien väliin
Drexelin yliopistossa on tutkittu siellä aikoinaan löydetyn kaksiulotteisen materiaaliperheen ominaisuuksia ja toimintoja ja havaittu, että niiden avulla on mahdollista varastoida suuria määriä energiaa.
MXeneksi nimetyllä materiaalilla on hyvä sähkönjohtavuus ja hydrofiilinen pinta eli se pystyy pidättelemään nesteitä ja vuonna 2013 tutkijat esittivät miten materiaalia voi hyödyntää akkutekniikoiden parissa.
Silloin he esittivät myös titaanikarbidisien MXene-elektrodit osoittavan jopa 350 F/cm3 superkapasitanssia johtuen kerrosten välille sijoittuneista kationeista. Tämä on huomattavasti suurempi arvo kuin mitä oli tuolloin mahdollista saavuttaa huokoisilla hiilielektrodeilla.
Vuoden 2014 lopulla esiteltiin kuinka uusimpien polymeerejä hyödyntävien yhdistelmien avulla voi jo rakentaa johtavien elektrodien ja ei-nestemäisen elektrolyyttien komposiitteja, joiden avulla voi lopulta poistaa metalliset virtajohtimet ja tehdä kevyempiä ja ohuempia superkondensaattoreita.
Miljardin reiän akku
University of Marylandin tutkijat kehittäneet yksittäisen nanorakenteen, joka sisältää kaikki akun komponentit. He uskovat konseptin mahdollistavan äärimmäisen miniaturisoinnin energian varastoinnin komponenteissa.
Nanomittaisessa rakenteessa on pieni reikä keraamisessa levyssä, joka pitää sisällään nestemäisen elektrolyytin siirtämässä sähkövarausta nanoreiän molemmissa päissä olevien elektrodien välillä.
Olemassa oleva postimerkin kokoinen testilaite latautui täyteen 12 minuutissa ja sitä voidaan ladata tuhansia ketoja. Tutkijoiden mukaan yksi syistä onnistuneeseen laitteeseen, on että kaikki nanoreiät ovat samanlaisia, joten niistä voi pakata pieniä ja ohuita akkua yhteen tehokkaasti.
Hiilidioksidia superkonkan valmistamiseen
Joulukuussa 2014 Oregon State University kemistit ja insinöörit kertoivat löytäneensä kiehtovan tavan tehdä jotakin ilmakehän hiilidioksidille.
Tämä innovaatio ei kuitenkaan ratkaise ilmaston lämpenemisen ongelmaa, toteavat tutkijat, mutta se mahdollistaa ympäristöystävällisen ja edullisen tavan tehdä superkondensaattorien tarvitsemaa nanohuokoista grafeenia.
Menetelmään löydetty kemiallinen reaktio esiteltiin ensimmäistä kertaa ja se on magnesium- ja sinkkimetallien seos. Nämä kuumennetaan korkeassa lämpötilassa ja hiilidioksidin virtauksessa, jolloin syntyy hallittu "metalloterminen" reaktio.
Reaktio muuntaa alkuaineet metallioksideiksi ja nanohuokoiseksi grafeeniksi.
Metallioksideja voidaan myöhemmin kierrättää takaisin metallisiin muotoihin.
Koska materiaalit ovat edullisia ja valmistus yksinkertaista tällä menetelmällä on potentiaalia skaalata kaupalliseksi tuotannoksi uskovat tutkijat.
Tuotteessa esiintyy suuri pinta-ala ja nanohuolisen grafeenin johdosta hyvä johtavuus ja saavutettu melko korkea tiheyskin on verrattavissa kaupallisiin aktiivihiiliin.
Tammikuu 2015