Gwałtowne hamowanie przed zakrętem? Pochłania energię bez mrugnięcia okiem. Mocne przyspieszenie? Oddaje ją natychmiast, bez zwłoki. Zero chemicznych zatorów, zero problemów z przegrzewaniem, zero stania w kolejce do ładowarki, bo samochód uzupełnia energię tak szybko, że postój staje się niemal niezauważalny. Przez lata taki obraz funkcjonował wyłącznie jako marzenie, a choć nadal częściowo pozostaje w tej sferze, to nowe osiągnięcia z Melbourne przybliżają go do inżynieryjnej rzeczywistości.
Ulepszony superkondensator jako idealne uzupełnienie akumulatora w elektrycznych samochodach
Nowością nie jest ani cudowny akumulator, ani laboratoryjna ciekawostka, a superkondensator, który radzi sobie wyjątkowo dobrze tam, gdzie tego typu urządzenia zawsze miały problem z gęstością energii liczoną objętościowo. Mowa więc o tym, ile energii można zmieścić w danej przestrzeni. Zespół z Monash University przeprojektował węgiel na poziomie mikroskopowym tak, aby jony faktycznie mogły korzystać z ogromnej powierzchni właściwej, którą zawsze obiecywał grafen, ale której zwykle nie udaje się wykorzystać w urządzeniu. Badacze osiągnęli to dzięki szybkiej obróbce termicznej, która wygina grafen w zakrzywione, wieloskalowe struktury. Efekt to urządzenie magazynujące znacznie więcej energii niż typowe superkondensatory, a na dodatek przy zachowaniu największej zalety – absurdalnie szybkiego oddawania mocy.
Czytaj też: Zamknęli się w labie i rozwiązali bolączki akumulatorów, które mogą zmienić nasz świat
Zespół opracował materiał nazwany wieloskalowym tlenkiem grafenu zredukowanym (M-rGO). Zamiast płaskich arkuszy grafenu, które nawarstwiają się i blokują jonom dostęp, badacze zastosowali szybkie wyżarzanie termiczne, tworząc gęsto upakowane, mocno zakrzywione krystality grafenowe przeplatane obszarami nieuporządkowanymi. Ta krzywizna i nieład nie są wadą, bo są to celowe autostrady dla jonów, które skracają drogę dyfuzji i otwierają warstwy zwykle niedostępne. Co najważniejsze, naukowcy przetestowali to podejście w warunkach zbliżonych do rzeczywistych na podstawie własnych symetrycznych ogniw typu pouch.
Przy zastosowaniu elektrolitu w postaci cieczy jonowej ogniwa osiągnęły gęstość energii na poziomie 99,5 Wh/l, a przy elektrolitach organicznych 49,2 Wh/l. Prawdziwym zaskoczeniem okazała się jednak moc – do 69,2 kW/l przy 9,6 Wh/l. Dla porównania komercyjne superkondensatory węglowe zwykle nie przekraczają 10 Wh/l i dlatego świetnie sprawdzają się jako bufory mocy, ale nie jako magazyny energii dalekiego zasięgu. Nowe urządzenia wchodzą więc na poziom zbliżony do starych akumulatorów kwasowo-ołowiowych, nie tracąc przy tym typowej dla superkondensatorów błyskawicznej reakcji.
Czytaj też: Wystarczyło pokryć jeden komponent odpowiednim materiałem. Akumulatory zyskały 500 proc. trwałości
Myśląc w kategoriach objętości, bufor superkondensatorowy o pojemności 10 kWh zająłby około 100 litrów, czyli przestrzeń wielkości małej walizki w platformie EV i mógłby wielokrotnie pochłaniać ekstremalne hamowanie rekuperacyjne oraz oddawać moc przy przyspieszeniach bez nadmiernego nagrzewania. Pełny zestaw 60 kWh wymagałby jednak około 600 litrów, co czyni go niepraktycznym w porównaniu z ogniwami litowo-jonowymi. Najbardziej realistyczny scenariusz to więc łączenie skromnego bufora superkondensatorowego z pakietem litowo-jonowym w celu zwiększenia efektywności cyklu, poprawy reakcji na gaz i zmniejszenia zużycia akumulatora podczas szybkiego ładowania i rekuperacji.
Czytaj też: Zaskakujące odkrycie. Te akumulatory nie powinny tak działać
Wywodząca się zresztą z uniwersytetu firma Ionic Industries produkuje grafenowe materiały w skali komercyjnej i współpracuje z producentami magazynów energii. Nawiązała również współpracę z australijskim producentem superkondensatorów CAP-XX, co wskazuje na rozwój łańcucha dostaw zorientowanego na realne zastosowania. Wprawdzie to jeszcze nie moduł EV gotowy do seryjnej produkcji, ale krok we właściwym kierunku. Jednak tak jak turbosprężarka nie zastępuje silnika ani zbiornika paliwa, tylko poprawia odpowiedź układu w chwilowych obciążeniach i dostarcza krótki zryw, gdy wciskasz gaz, tak superkondensator M-rGO nie wydłuży zasięgu i nie zastąpi pakietu litowo-jonowego. Zamiast tego będzie pełnić rolę sensownego bufora, kiedy układ będzie musiał przyjmować lub odbierać ogromną ilość mocy. Jeśli uda się powtórzyć wydajność z cieczy jonowej w tańszych chemiach i utrzymać tempo produkcji, akumulatory wreszcie doczekają się realnego towarzystwa tam, gdzie liczy się moc bardziej niż pojemność.