Nanokvantisointi täyttää akkuteknologian aukon

Ottaen huomioon elektronien kvantisoidun varastoinnin nanopartikkeleihin kanadalaisen McGill Universityn tutkijat ovat osoittaneet teoreettisesti, että on mahdollista yhdistää kahden toisiaan täydentävän energian varastointimenetelmän edut.

Uutta energian varastointilaitetta suunnitellessaan tutkijat ottavat huomioon sekä kuinka paljon energiaa järjestelmä varastoi (sen energiatiheys) että kuinka nopeasti se latautuu ja purkautuu (sen tehotiheys). Tyypillisesti yhden näistä ominaisuuksista parantaminen heikentää toista.

Nyt Kirk Bevan McGill-yliopistosta ja hänen kollegansa ehdottavat pseudokapasitiiviseksi akuksi kutsuttua laiterakennetta, joka käyttää kvantisoiduksi kapasitanssiksi kutsuttua ilmiötä tuottamaan sekä korkean energiatiheyden että suuren tehotiheyden. Tiimi toteaa, että monet energian varastointisovellukset voisivat hyötyä tällaisesta rakenteesta.

Kondensaattori ja akku ovat kaksi toisiaan täydentävää energian varastointilaitetta. Kondensaattorit latautuvat ja purkautuvat nopeasti, joten ne voivat tuottaa paljon hetkellistä tehoa. Mutta niiden energiatiheys on pieni, koska energiaa voidaan varastoida vain elektrodien pinnoille tuotujen varausten avulla.

Akut puolestaan voivat varastoida energiaa koko tilavuuteensa, mikä antaa niille korkean energiatiheyden mutta kemialliset reaktiot ovat suhteellisen hitaita, joten akut tuottavat vähemmän hetkellistehoa.

Bevanin ja hänen kollegoidensa hahmottelemassa ratkaisussa yhdistyvät kondensaattoreiden ja akkujen edut. Järjestelmä koostuu levynmuotoisista grafeeninanohiukkasista, jotka on asetettu kahden elektrodin väliin. Korkean tehotiheyden saamiseksi ryhmä varastoi elektroneja erillisiin energiatasoihin nanohiukkasten pinnalle, joiden kokoa he pystyivät säätämään siten, että laitteen vaste kohdistettuun jännitteeseen matki kondensaattorin vastetta. Korkean energiatiheyden saavuttamiseksi he täyttivät suuren osan laitteen kahden levyn välisestä tilavuudesta nanohiukkasilla jäljitelläkseen akun energian varastointimenetelmää.

Laskelmat viittaavat siihen, että pseudokapasitiivisten akkujen tehotiheys voisi olla noin 10-20 kertaa suurempi kuin perinteisillä akuilla ilman, että se uhraa merkittävää energiatiheyttä.

Bevan toteaa, että on olemassa joitakin teknisiä haasteita, jotka on voitettava ennen kuin tällainen laite voidaan toteuttaa, mutta hänen tiiminsä laskelmat osoittavat, että tämä on tie johon kannattaa pyrkiä.

Yleisesti ottaen havaintomme osoittavat, että 2D-nanomateriaalit, joilla on kvantisoitu kapasitanssi, tarjoavat lupaavan ja alitutkitun fyysisen akselin sähkökemiallisissa kondensaattoreissa saavuttaakseen erittäin nopean latauksen energiatiheydellä, joka on verrattavissa akkuihin toteavat tutkijat raportissaan.

Aiheesta aiemmin:

Interkalatoitu pseudokapasitanssi

Hybridi- ja superkondensaattoreita