Když někdo zmačká papír, tak ho nejspíš chce zahodit anebo s ním dělat ještě horší věci. Když ale vývojáři zmačkají grafenový papír, tedy materiál tvořený pláty grafenu, mohou se dít věci. Zmačkaný grafen totiž vykazuje vlastnosti, které ho předurčují k výrobě velice ohebných a roztahovatelných superkapacitorů (ultrakapacitorů), zásobníků energie, které jsou schopné dočasně uchovávat velké množství elektrického náboje. Tyto superkapacitory by se měly velmi dobře uplatnit v pružných elektronických zařízeních.
Vlastnosti zmačkaného grafenu zkoumá Xuanhe Zhao z MIT a jeho kolegové. Podle nich by relativně snadno vyráběné a levné ohebné a roztažitelné superkapacitory byly tou správnou technologií pro celou řadu vyvíjených zařízení s pružnou elektronikou. Celý svět se těší na rozmanité aplikace v oblečení i na ohebná vnější či voperovatelná biomedicínská zařízení. A všechny tyhle věci budou potřebovat zdroje energie, samozřejmě také pružné.
Superkapacitory uchovávají elektrickou energii, podobně jako baterie. Nevyužívají k tomu ale chemické, nýbrž převážně elektrostatické síly. Jejich výhoda spočívá třeba v tom, že poskytují energii rychleji, než to mohou zvládnout baterie. Zhao a spol. důkladně zmačkali grafen a vytvořili tím základ superkapacitoru, který může být snadno ohýbán, skládán a také roztahován až na 800 procent původní velikosti. Aby svému objevu dodali patřičnou váhu, tak ze zmačkaného greenového papíru vyrobili jednoduchý superkapacitor, který pěkně fungoval. Vývojáři také grafenový papír podrobili docela důkladným testům. Ukázalo se, že může být tisíckrát zmuchlán a opět narovnán, aniž by se to nějak významně projevilo na jeho výkonu v roli superkapacitoru. U grafenu jsme už zvyklí, že jeho aplikace mívají poměrně zázračné vlastnosti.
A jak se vyrábí superkapacitor ze zmačkaného grafenu? Nejprve se na jednoduchém mechanickém zařízení ve dvou směrech zmačká grafenový papír, tak aby vznikl pěkně chaoticky zmačkaný povrch. Konstrukce kapacitoru vyžaduje dvě vodivé vrstvy, v tomto případě dvě vrstvy zmačkaného grafenu, mezi nimiž je vložená vrstva nevodiče. Zhao s kolegy použil u svého experimentálního superkapacitoru jako nevodič vrstvu hydrogelu. Vývojáři ke svému úspěšnému experimentu dodávají, že zmačkaný grafenový papír může posloužit i jinak, třeba jako jedna z elektrod v ohebné baterii anebo součást ohebného senzoru.
Superkapacitory Zhaova týmu si velice pochvaluje materiálový vědec Dan Li z australské Monashovy univerzity. Podle něj jde o velice jednoduchý a zároveň účinný koncept výroby superkapacitorů, které jsou nejen ohebné, ale také značně natahovatelné. Až doposud bylo právě tohle velkou výzvou materiálovým laboratořím.
Literatura
MIT News 3. 10. 2014, Scientific Reports 4: 6492, Wikipedia (Supercapacitor).
Zázrak upcyklace: Z neoblíbených mikroplastů lze udělat žádaný grafen
Autor: Stanislav Mihulka (18.08.2024)
Exotický supravodič je možné ovládat magnetickým polem
Autor: Stanislav Mihulka (20.04.2024)
Podivuhodný zlaten je novým želízkem v ohni 2D materiálů
Autor: Stanislav Mihulka (18.04.2024)
Magie fyziky: Plátek grafitu levituje, aniž by potřeboval energii
Autor: Stanislav Mihulka (10.04.2024)
Cukrbeton z cukrové třtiny poráží tradiční beton
Autor: Stanislav Mihulka (07.02.2024)
Diskuze:
Energie je uložena v silném el. poli, tj. ve spádu
Josef Hrncirik,2014-10-15 10:27:10
mezi elektrodami. V nekolmých a měnácího se průřezu pórech částice je slabé pole, i jeho menší objem. Povrch je vlastně nezajímavý.
Další
Miroslav Mácha,2014-10-10 08:53:28
I výkonové superkondenzátory mají elektrodu z aktivního uhlíku. On vypadá jako normální kondenzátor, ale protože elektrody mají na sobě prach, tak ten zvýší jejich povrch. Toho povrchu umí využít elektrolyt. Aby nedošlo k transportu náboje elektrolytem, je mezi elektrodami nepropustná fólie.
Superkapacitory se dají rozdělit do dvou skupin:
zálohovací (malý pracovní proudy a malé samovybíjení) a výkonové (velké pracovní proudy až 300A a relativně velké samovybíjení).
Výkonové se trochu používají při brzdění, ale hlavně při rozjezdu, kdy mohou eliminovat náhlé zvýšení příkonu (např. hybridní trolejbusy (mají trolej i dieselový agregát) od Škody transportation v HK)
Pavel Hudecek,2014-10-11 17:17:07
Fólie mezi elektrodami je nosič elektrolytu. Nemůže být nepropustná a bránit transportu náboje, to by z toho byl obyčejný kondík se zbytečným elektrolytem navíc. Nežádoucímu transportu náboje se brání výhradně malým napětím. Z toho plyne hlavní nevýhoda: Všechny tyhle hračky fungují do 2,5-3,5 V, pro vyšší napětí je vždy patřičný počet ks v sérii, spolu s pomocným obvodem zajišťujícím nepřekročení napětí na článcích s nižší kapacitou.
Vít Kreisinger,2014-10-08 23:53:07
Děkuji za příspěvek do debaty. Elektroniku dělám už 25 let a slovo superkapacitor jsem v životě neslyšel. Anglický výraz superCapacitor samozřejmě ano. Ještě jsem si výskyt slova kapacitor ověřoval zde http://ssjc.ujc.cas.cz/ a nic. Proto jsem si dovolil co nejzdvořileji požádat autora článku o odpověď co jej vedlo k použití té zkomoleniny. Nechci se s nikým hádat jen mi to prostě zajímá.
Martin V,2014-10-09 08:41:24
Mno, když si napíšete superkapacitor do vyhledávače, vyskočí desítky odkazů.
Pro zajímavost jsem zkusil porovnat ty dvě slova na googlefight, a superkondenzator tam vychází 4x používanější, ale i tak se superkapacitor vyskytuje dost :-)
http://www.googlefight.com/index.php?lang=en_GB&word1=superkapacitor&word2=superkondenzator
Doplnění
Pavel Hudecek,2014-10-08 19:25:54
V popisu superkondenzátoru chybí dost důležitá věc: Elektrolyt. Kdyby mezi elektrodami byl obyčejný izolant, nedejbože ještě vysoce porézní, dostaneme klasický kondenzátor a ještě k tomu velmi mizerných vlastností, do nějž by se nevešla energie ani na sekundu provozu hodinek.
Základem superkondenzátoru je nevodivá vrstva vzniklá mezi elektrodou a elektrolytem. Jedná se vlastně o galvanický článek, na který bylo přivedeno napětí, které je příliš malé na to, aby překonalo elektrochemický potenciál a mohl začít procházet proud, takže se chová jako kondenzátor, který má jako izolaci prostor mezi molekulami elektrolytu a atomy povrchu elektrod.
Kapacita je závislá na poměru plochy a vzdálenosti. Prvním plusem je tedy v našem případě extrémně malá vzdálenost. Z ní pak může plynout i velká plocha, protože takováto aktivní plocha kopíruje veškeré povrchové nerovnosti. Nejvyšší kapacity se proto dosahuje s elektrodami z materiálů, jako je aktivní uhlí. Samozřejmě nic není zadarmo, takže takové kondenzátory často mohou mít velký vnitřní odpor, pročež se dají použít jen pro nízkopříkonové věci, jako zálohování dat v malé konfigurační paměti a chod hodin po dobu výpadku proudu. Na druhé straně máme superkondenzátory pro výkonové aplikace, kde slouží k vyrovnávání rozdílů v odběru proudu. Zde konstrukce elektrod neumožňuje vysokou kapacitu, ale zase mají tak malý vnitřní odpor, že mohou pomoci třeba akumulátorům v elektromobilu při prudkém brždění.
Jirka Niklík,2014-10-14 21:46:09
Mně se nelíbí formulace (alespoň v takhle relativně odborném článku) "Superkapacitory uchovávají elektrickou energii, podobně jako baterie."
Jestli jsem to správně pochopil, tak baterie je v podstatě pumpa, schopná přenášet elektrony z jedné elektrody na druhou. Zatímco kondenzátor je jen sklad elektronů. Chápu to dobře?
Capacitor = kondenzátor
Vít Kreisinger,2014-10-08 08:28:42
Vážený pane Mihulko,
rád čtu Vaše články a děkuji i za tento. Slovo superkapacitor mi ale přijde jako z "Blesku". Mohl byste mi prosím sdělit co Vás vedlo k tomu, že jste nepoužil české a léta používané slůvko superkondenzátor?
Děkuji za odpověď a těším se na další zajímavé čtení.
VK
Martin V,2014-10-08 17:49:53
Pardon, nechci mluvit za pana Mihulku, ale superkapacitor je stejně tak české a léta používané, jako superkondenzátor.
Samozřejmě, puntičkář může namítnout, že kapacitor a kondenzátor není totéž. A měl by pravdu, ale dle mého názoru je slovo superkapacitor tak zažité, že se bude používat obojí bez rozdílu.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
