211service.com
Grafeen voor het groene raster
Het zal een grote uitdaging zijn om onregelmatige bronnen van hernieuwbare energie, zoals wind en zon, te integreren met het elektriciteitsnet en tegelijkertijd het vermogen stabiel te houden. Energieopslagapparaten, ultracondensatoren genaamd, kunnen helpen door plotselinge stroompieken op te slaan. Maar veel zal afhangen van de ontwikkeling van een nieuwe generatie ultracondensatoren met voldoende opslagcapaciteit om aan de waarschijnlijke vraag te voldoen.
Grafeen kracht: Graphene Energy hoopt dat grafeenelektroden zoals deze de energieopslagcapaciteit en het vermogen van ultracondensatoren zullen vergroten. Deze afbeelding, die de rand van een grafeenelektrode laat zien, is gemaakt met een scanning-elektronenmicroscoop.
Grafeen Energie , een startup gevestigd in Austin, TX, hoopt dat ultracondensatoren met elektroden gemaakt van grafeen - koolstofplaten van slechts een atoom dik - de oplossing zullen zijn. De opslagcapaciteit van een ultracondensator wordt alleen beperkt door het oppervlak van zijn elektroden, en grafeen biedt een manier om het beschikbare gebied aanzienlijk te vergroten.
Ultracondensatoren slaan energie elektrostatisch op, in plaats van chemisch, zoals in batterijen. Tijdens het opladen komen elektronen naar het oppervlak van de ene elektrode en vormen zich elektronengaten op het oppervlak van de andere. Dit trekt positieve ionen in een elektrolyt naar de eerste elektrode en negatieve ionen naar de tweede. De chemische reacties die worden gebruikt om batterijen op te laden, beperken daarentegen de snelheid waarmee ze kunnen worden opgeladen en zorgen er uiteindelijk voor dat de elektrodematerialen kapot gaan. Ultracondensatoren kunnen zeer snel worden opgeladen en ontladen, in seconden in plaats van minuten, en kunnen miljoenen keren worden opgeladen voordat ze verslijten.
Ultracondensatoren die momenteel op de markt zijn, kunnen echter niet overeenkomen met batterijen voor energiedichtheid, dus worden ze meestal gebruikt in hybride systemen naast batterijen of voor nichetoepassingen. Omdat deze apparaten een snelle toestroom van grote hoeveelheden energie aankunnen, worden ze vaak gebruikt om energie terug te winnen, bijvoorbeeld wanneer een stadsbus remt of een portaalkraan zijn lading laat zakken. Ultracondensatoren die op deze manier worden gebruikt, hebben de energie die nodig is voor sommige kranen die in Japanse havens worden gebruikt, met 40 procent verminderd. Een paar elektrische gereedschappen, waaronder een elektrische boormachine, profiteren van het snelle oplaadvermogen van ultracondensatoren.
Graphene Energy hoopt nieuwe toepassingen voor ultracondensatoren te openen door apparaten te ontwikkelen met een veel hoger uitgangsvermogen. Deze ultracondensatoren kunnen misschien worden gebruikt om pieken in het elektriciteitsnet te reguleren of om hybride transportvoertuigen van stroom te voorzien. Het bedrijf heeft $ 500.000 aan startkapitaal om grafeen-ultracondensatoren te commercialiseren die zijn ontwikkeld door Rodney Ruoff , een professor in werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Texas in Austin. Ruoff is medeoprichter van Graphene Energy en fungeert ook als technologieadviseur van het bedrijf.
Bestaande ultracondensatoren gebruiken elektroden gemaakt van actieve kool - een poreus, houtskoolachtig materiaal met een zeer groot oppervlak. Actieve koolstofvoorraden laden op in tunnelachtige poriën en het duurt ongeveer een seconde voordat het in en uit gaat. Dit is erg snel in vergelijking met de snelste batterijen, maar actieve kool heeft een beperkt vermogen.
Om het grafeen voor zijn elektroden te maken, begint het team van Ruoff door grafietoxide in een wateroplossing te doen. Hierdoor schilfert het materiaal tot atoomdunne vellen grafeenoxide. Vervolgens worden de zuurstofatomen verwijderd, waarbij het grafeen achterblijft. Tot nu toe heeft het laboratorium van Ruoff grafeen-ultracondensatoren gemaakt die overeenkomen met de prestaties van die gemaakt met actieve kool. Met verdere verfijningen zouden ze volgens hem beter moeten presteren dan actieve kool, hoewel de stappen die zijn bedrijf neemt om dit te bereiken geheim blijven.
Gebaseerd op een beschrijving van de grafeen-ultracondensatoren die afgelopen september in het tijdschrift zijn gepubliceerd Nano-letters , zegt John Miller van JME, een onderzoeks- en adviesbureau dat gespecialiseerd is in elektrochemische condensatoren, dat het inderdaad mogelijk moet zijn om hun prestaties te verbeteren. De grafeenelektrode die in dit artikel wordt beschreven, is als een verfrommeld stuk papier tot een bal gepropt, zegt Miller. Je hebt geen volledige toegang tot het oppervlak.
Als Graphene Energy de elektroden in verticale arrays kan laten groeien, zoals een rij perfect vlakke vellen papier die op de rand staan, zegt Miller dat het vermogen drastisch kan worden verhoogd. In deze opstelling zou elk koolstofatoom worden blootgesteld en in staat zijn om energie op te slaan, met vrijwel geen wachttijd voor de lading om door de tunnels in actieve kool te reizen.
Naast het verbeteren van de prestaties van zijn ultracondensatoren, moet Graphene Energy echter ook een methode ontwikkelen om ze op grotere schaal te maken - een gemeenschappelijke uitdaging in al het grafeenonderzoek.
Dileep Agnihotri , CEO van Graphene Energy, zegt dat het bedrijf tegen het einde van dit jaar zijn eerste prototypeproduct met grafeenelektroden hoopt te testen.
Een andere groep onderzoekers hoopt betere ultracapacitor-elektroden te maken met behulp van koolstofnanobuisjes - opgerolde buizen van grafeen die veel van dezelfde eigenschappen hebben. Ik denk dat beide benaderingen in principe kunnen werken, zegt Joel Schindall , een professor in elektrotechniek en informatica aan het MIT die aan de elektroden van nanobuisjes werkt. De sleutel zal zijn om het groeiproces goed te krijgen en vervolgens te werken aan manieren om het op een kosteneffectieve manier te produceren.