Vesi, savi ja hiili: Uusi reitti kestävään energian varastointiin

Voiko puhdas vesi varastoida sähköenergiaa? Hampurin teknillisen yliopiston huippuosaamisklusterin "BlueMat – Water-Driven Materials" jäsen, tohtori Vasily Artemovin johtama tutkimusryhmä, on nyt osoittanut, että se on mahdollista.

Rajaamalla veden nanometrin kokoisiin kanaviin savimineraaleissa tutkijat loivat superkondensaattorin, joka kykenee tehokkaasti varastoimaan ja kuljettamaan sähkövarausta.

Löydöksen tekee epätavalliseksi se, että siinä käytetään puhdasta vettä elektrolyyttinä – väliaineena, joka kuljettaa sähkövarausta. Nykypäivän akut ja superkondensaattorit käyttävät tyypillisesti lisättyjä suoloja, happoja tai muita kemiallisia elektrolyyttejä. Uusi järjestelmä sitä vastoin toimii ilman tällaisia lisäaineita ja perustuu yksinomaan runsaasti luonnossa esiintyviin materiaaleihin: veteen, saveen ja hiileen.

”Tavoitteenamme on kehittää turvallisempia ja kestävämpiä energian varastointiteknologioita, jotka perustuvat runsaisiin materiaaleihin monimutkaisten kemiallisten yhdisteiden sijaan”, sanoo artikkelin pääkirjoittaja Vasily Artemov: ”Laite varastoi ja vapauttaa energiaa tehokkaasti, toimii suhteellisen korkealla jännitteellä vesipohjaiseen järjestelmään nähden ja pysyy vakaana kymmenien tuhansien latausjaksojen ajan.”

Tutkijat kutsuvat järjestelmäänsä ”Siniseksi kondensaattoriksi”. Teknologian avain piilee noin nanometrin levyisissä kanavissa. Näin pienten tilojen sisällä vedellä on ominaisuuksia, joita ei löydy tavallisesta irtovedestä, mikä mahdollistaa varauksen tehokkaan liikkumisen.

Tämän vaikutuksen hyödyntämiseksi tutkijat yhdistivät savimineraaleja grafeeniin, erittäin johtavaan hiilen muotoon. Yhdessä kerrokset muodostavat miljoonia pieniä kanavia, jotka täyttyvät vedellä. ”Tuloksemme osoittavat, että nanorakenteinen vesi voi toimia aktiivisena elektrolyyttinä käytännöllisessä energian varastointilaitteessa”, Artemov sanoo.

Laboratoriotesteissä sininen kondensaattori säilytti vakaan suorituskyvyn yli 60 000 lataus-purkaussyklin ajan. Laite toimi myös jopa 1,6 voltin jännitteillä, mikä on suhteellisen korkea arvo vesipohjaiselle energian varastointijärjestelmälle. Tutkijat näkevät tämän todisteena siitä, että nanorakenteisen veden ainutlaatuisia ominaisuuksia voidaan hyödyntää käytännön sovelluksissa.

Teknologia on vielä kehitysvaiheessa, ja lisätutkimuksia tarvitaan ennen kuin kaupalliset sovellukset tulevat mahdollisiksi. Tutkijat uskovat kuitenkin, että konsepti voisi tarjota käytännöllisen reitin tulevaisuuden energian varastointiteknologioihin.

Energian varastoinnin lisäksi löydökset voisivat inspiroida uusia teknologioita, jotka hyödyntävät veden epätavallisia ominaisuuksia nanoskaalassa, mukaan lukien edistyneet anturit, bioinspiroidut järjestelmät ja neuromorfinen laskenta.

"Työmme osoittaa, että jopa tuttu aine, kuten vesi, voi paljastaa odottamattomia ominaisuuksia nanoskaalassa tarkasteltuna", Artemov sanoo. "Ymmärtämällä nämä ominaisuudet voimme mahdollisesti kehittää täysin uusia teknologisia sovelluksia."

Aiheesta aiemmin:

Veden rajapinnassa on kierre

Metalliton superkondensaattoripino grafeenista

Savesta ympäristöystävällisiä kvanttiteknologioita