Nauka dla Społeczeństwa

25.02.2024
PL EN
20.10.2023 aktualizacja 02.11.2023

Superkondensatory faszerowane węglowymi nanocebulkami

Fragment grafiki na okładce czasopisma ACS Applied Polymer Materials, 2022, ilustrującej badania prowadzone w zespole prof. Marty Płońskiej-Brzezińskiej. Projekt okładki Piotr Domasiewicz, @dmkey.design Fragment grafiki na okładce czasopisma ACS Applied Polymer Materials, 2022, ilustrującej badania prowadzone w zespole prof. Marty Płońskiej-Brzezińskiej. Projekt okładki Piotr Domasiewicz, @dmkey.design

Nowatorski pomysł na materiały elektrodowe wykorzystywane w konstrukcji superkondensatorów ma zespół z Białegostoku. W skład tych urządzeń mają wchodzić węglowe "nanocebulki", czyli wielowarstwowe fulereny.

Superkondensatory – podobnie jak baterie – służą do gromadzenia energii (ładunku elektrycznego) i są one elektrochemicznymi źródłami zasilania. W odróżnieniu jednak od baterii bardzo szybko daje się je naładować i rozładować, a proces ten jest odwracalny - możliwy jest nawet milion cykli ładowania takiego urządzenia.

MINUSY BATERII

Baterie litowo-jonowe wydają się na razie nie do zastąpienia, ale mają sporo wad: energia magazynowana jest w postaci chemicznej, do ich produkcji potrzebne są coraz trudniejsze do pozyskania metale ziem rzadkich, ładuje się je dość długo i ograniczoną ilością razy (co zwiększa koszty utrzymania). Dodatkowo, substancje chemiczne, z których są wykonane, mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa i środowiska.

Dlatego taką nadzieją są superkondensatory bazujące na materiałach organicznych. Choć istnieją już superkondensatory ładujące się tysiące razy szybciej niż baterie, to wciąż jednak nie są w stanie gromadzić wystarczająco wiele energii. Obecnie w bateriach litowo-jonowych można gromadzić 20 razy więcej energii niż w superkondensatorach.

Na razie więc baterie i superkondensatory uzupełniają się. I tak np. w samochodach hybrydowych czy pojazdach elektrycznych akumulatory dostarczają dużej ilości energii, aby pojazd mógł jak najdłużej jechać. A superkondensatory dostarczają moc, aby pojazd ruszył lub gwałtownie zahamował, przy jednoczesnej regeneracji takiego urządzenia.

Naukowcy szukają więc materiałów o lepszych parametrach - które będą jednocześnie gromadziły dużo energii i szybko się ładowały. Na razie w elektrodach superkondensatorów chętnie korzysta się z materiałów węglowych - choćby nanorurek, ale wciąż trwają poszukiwania materiałów, które spiszą się jeszcze lepiej.

PIŁKA W PIŁCE W PIŁCE W PIŁCE

“Pojedynczy fuleren to grafen zwinięty w kształt piłki” - tłumaczy w rozmowie z Nauką w Polsce prof. Marta Płońska-Brzezińska z Zakładu Chemii Organicznej Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku. W nanocebulkach węglowych zaś mniejsze fulereny uwięzione są wewnątrz coraz większych - tworząc coś w rodzaju kolejnych warstw cebuli (lub matrioszki). Nanocebulka węglowa zawiera średnio 10 takich coraz mniejszych węglowych piłek (ryc. 1).

Ryc. 1. Obraz nanocebulki węglowej wykonany transmisyjnym mikroskopem elektronowym. Źródło: materiały autorów
Ryc. 1. Obraz nanocebulki węglowej wykonany transmisyjnym mikroskopem elektronowym. Źródło: materiały autorów

Nanocebulki węglowe są niezwykle trwałe, odporne na wysokie temperatury i mogą gromadzić dużo ładunku elektrycznego. Prof. Płońska-Brzezińska wyjaśnia, że "piłki węglowe" dają o wiele lepsze perspektywy niż płaskie materiały węglowe - choćby jeśli chodzi o ich domieszkowanie (czyli zastąpienie atomów jednych pierwiastków - innymi). W tym przypadku byłoby to zastępowanie niektórych atomów węgla atomami boru, azotu czy fosforu. W ten sposób w takich niejednorodnych strukturach będzie się dało zgromadzić efektywniej ładunek elektryczny, niż w grafenie czy nanorurkach. Dlatego jej zespół zaproponował wykorzystanie “nanocebulek” do konstrukcji superkondensatorów.

Sposób na produkcję nanocebulek jest już znany - informuje badaczka. Wiadomo, że można je produkować choćby z nanocząstek diamentu, obrabianych w odpowiednich warunkach. “Wbrew pozorom nanodiamenty wcale nie są drogie. I są komercyjnie łatwo dostępne” - zaznacza profesor.

NANOCEBULKA JAKO SKŁADNIK FARSZU

Ryc. 2. Abstrakt graficzny badań naukowych przedstawionych w Scientific Reports, 2023 r.
Ryc. 2. Abstrakt graficzny badań naukowych przedstawionych w Scientific Reports, 2023 r.

Badacze z zespołu prof. Marty Płońskiej-Brzezińskiej z Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku, w publikacji w Scientific Reports (ryc. 2), pokazali niedawno, że w superkondensatorach zastosowanie mogą znaleźć wielowarstwowe fulereny w połączeniu z materiałami organicznymi (zbudowanymi głównie z węgla i azotu). Nanocebulki to więc tylko jeden ze składników "farszu", tworzącego elektrodę superkondensatora.

Materiały, o których mowa, są odporne na wysoką temperaturę (już teraz wytrzymują 600 stopni C), są świetnymi półprzewodnikami i gromadzą duże ilości ładunku (ryc. 3). Materiał jest tak dobrany, aby powstał z nich porowaty szkielet węglowy. Przez ten szkielet błyskawicznie przechodzą jony niosące ładunek do elektrody, który gromadzony jest w materiale zawierającym nanocebulki węglowe. Ilość zgromadzonego ładunku jest wyrażona pojemnością właściwą materiału i wynosi ona 638 F/g. Jest to jedna z najwyższych wartości dla materiałów organicznych odnotowanych do tej pory w literaturze naukowej.

Ryc. 3. Grafika na okładce czasopisma ACS Applied Polymer Materials, 2022, ilustrująca badania prowadzone w zespole prof. Marty Płońskiej-Brzezińskiej. Projekt okładki Piotr Domasiewicz, @dmkey.design
Ryc. 3. Grafika na okładce czasopisma ACS Applied Polymer Materials, 2022, ilustrująca badania prowadzone w zespole prof. Marty Płońskiej-Brzezińskiej. Projekt okładki: Piotr Domasiewicz, @dmkey.design

Naukowcy pracują teraz nad tym, aby jak najlepiej zestawić te dwa typy materiałów do wytwarzania elektrod superkondensatorów.

"W najbliższej przyszłości, w projektowaniu takich urządzeń o jak najlepszych właściwościach elektrochemicznych chcemy wykorzystać możliwości, jakie daje sztuczna inteligencja. Pomoże nam ona wyselekcjonować materiały z dużym potencjałem, które warto przetestować" - zapowiada prof. Płońska-Brzezińska. (PAP)

Ludwika Tomala

lt/ bar/

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

Copyright © Fundacja PAP 2024