Inżynierowie z Uniwersytetu Monash stworzyli nowy materiał węglowy, który umożliwia superkondensatorom magazynowanie porównywalnych ilości energii co akumulatory kwasowo-ołowiowe, przy jednoczesnym zapewnieniu znacznie szybszego dostarczania mocy niż konwencjonalne systemy magazynowania energii elektrycznej. Wyniki tych prac, opublikowane 15 września 2025 roku w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications, sugerują, że era kompromisów między pojemnością a szybkością ładowania może wkrótce dobiec końca.
Wieloskalowy grafen. Klucz do rozwiązania problemów z magazynowaniem energii
Superkondensatory od lat zapowiadały rewolucję w przechowywaniu energii. W przeciwieństwie do akumulatorów, które magazynują energię poprzez reakcje chemiczne, superkondensatory gromadzą ładunek elektrostatycznie, co teoretycznie umożliwia niemal natychmiastowe ładowanie i rozładowywanie. Wyzwaniem pozostawała jednak ich ograniczona wydajność, ponieważ tylko niewielka część powierzchni materiału węglowego była faktycznie dostępna do magazynowania energii.
Czytaj też: PolyU podnosi poprzeczkę. Nowa fotowoltaika wyciska więcej z każdego promienia Słońca
Oto jednak zespół specjalistów zademonstrował sposób na uwolnienie znacznie większej powierzchni poprzez modyfikację procesu obróbki cieplnej materiału. Sekretem okazała się nowa architektura materiałowa zwana wieloskalowym zredukowanym tlenkiem grafenu (M-rGO), syntetyzowanym z naturalnego grafitu, czyli surowca, którego Australia posiada obfite złoża. Sam proces wytwarzania M-rGO opiera się na dwuetapowej obróbce termicznej tlenku grafitu, a kluczowy jest tutaj etap szybkiego wyżarzania termicznego, który generuje niezwykle zakrzywione krystality grafenu turbostratycznego. Te krystality integrują się i przeplatają w nieuporządkowanych domenach wewnątrz cząstek o rozmiarze mikronowym. Rezultat? Materiał z precyzyjnymi ścieżkami dla jonów, umożliwiającymi ich szybkie i efektywne przemieszczanie.
Protokół e-IE, czyli M-rGO przygotowane do działania
Operando elektrochemiczna ekspansja międzywarstwowa, w skrócie e-IE, to kontrolowany etap formowania, w którym podczas polaryzacji elektrody jony wnikają pomiędzy pofałdowane warstwy M-rGO i chwilowo zwiększają odstępy między płatkami. Dzięki temu odblokowuje się dodatkowa powierzchnia aktywna bez makroskopowego spulchniania i bez utraty przewodności. Krzywizny i turbostratyczne ułożenie domen tworzą krótkie, mało kręte ścieżki transportu, więc przyrost pojemności nie odbywa się kosztem mocy. W praktyce e-IE prowadzi się w określonym oknie napięciowym do momentu stabilizacji impedancji i pojemności – po tym etapie międzywarstwowe kanały pozostają dostępne w gęsto upakowanym stosie pouch, co bezpośrednio wspiera wysoką gęstość energii liczoną na litr i utrzymanie niskich strat przy dużych prądach.
Mechanizm magazynowania ładunku w M-rGO łączy efekty nanouwięzienia z częściowym transferem ładunku. Badania wykazały pojemność znormalizowaną do powierzchni BET na poziomie 85 mikrofaradów na centymetr kwadratowy w elektrolicie organicznym i aż 135 mikrofaradów na centymetr kwadratowy w cieczy jonowej. Wynik ten znacząco przewyższa typowe węgle aktywowane, które osiągają mniej niż 10 mikrofaradów na centymetr kwadratowy. Po e-IE pojemność rośnie więc około trzykrotnie, a skrócone ścieżki dyfuzji i krzywizna domen poprawiają kinetykę transportu jonów, co widać w utrzymaniu wydajności przy wysokich prądach do 200 A/g.
Rekordowe parametry wydajności. Nowa era superkondensatorów
Gdy naukowcy złożyli swój materiał w urządzenia typu pouch cell, a więc popularne rozwiązanie komórek stosowanych w akumulatorach smartfonów i laptopów, to wyniki w testach przerosły ich oczekiwania. Objętościowa gęstość energii osiągnęła 99,5 watogodzin na litr w elektrolitach cieczy jonowych i 49,2 watogodzin na litr w elektrolicie organicznym. Tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe oferują podobną pojemność, ale superkondensatory dostarczają tę energię w znacznie krótszym czasie. Gęstość mocy stanowi kolejny imponujący parametr, bo urządzenia osiągnęły aż 69,2 kilowatów na litr przy gęstości energii 9,6 watogodzin na litr. Oznacza to, że superkondensator może dostarczyć ogromną moc w bardzo krótkim czasie, co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach wymagających szybkich impulsów energii.
Czytaj też: Zdradzili tajemnicę fotowoltaiki. Nawet nie wiesz, co obniża wydajność paneli słonecznych
Doskonała stabilność długoterminowa stanowi kolejny atut tej technologii. Urządzenie M-rGO zachowało 91 procent początkowej pojemności po 50 tysiącach cykli ładowania z elektrolitem TEABF4 oraz 93 procent z SBPBF4. Średnia wydajność kulombowska wyniosła 99,7 procent, co wskazuje na minimalne straty energii podczas kolejnych cykli ładowania i rozładowywania. Z kolei wykres Ragone, czyli standardowe narzędzie do porównywania systemów magazynowania energii, wyraźnie pokazuje siłę tej technologii. Zoptymalizowana konfiguracja dostarcza bowiem objętościową gęstość energii rzędu 99,5 watogodzin na litr z gęstością mocy 17,7 kilowatów na litr. Parametry te sytuują superkondensatory M-rGO w zupełnie nowej klasie urządzeń magazynujących energię.
Komercjalizacja przez Ionic Industries. Od laboratorium do rynku
Przełom naukowy to jednak dopiero początek drogi, bo prawdziwa wartość technologii ujawnia się dopiero w komercyjnych zastosowaniach. Australijscy naukowcy mają tu jednak znaczącą przewagę, ponieważ ich odkrycie już opuszcza mury laboratoryjne. Ionic Industries, spółka spin-off Uniwersytetu Monash, została powołana specjalnie w celu komercjalizacji tej innowacji. Firma już produkuje komercyjne ilości materiałów grafenowych i współpracuje z partnerami z branży magazynowania energii, aby wprowadzić technologię na rynek zastosowań wymagających zarówno wysokiej energii, jak i szybkiego dostarczania mocy.
Potencjalne zastosowania tej technologii obejmują szeroki zakres obszarów. Pojazdy elektryczne mogłyby ładować się w ciągu kilku minut zamiast godzin, zachowując przy tym porównywalny zasięg. Nawet stabilizacja sieci energetycznych, szczególnie tych zasilanych zmiennymi źródłami odnawialnymi, mogłaby stać się znacznie efektywniejsza. Z kolei elektronika użytkowa (od smartfonów po laptopy) mogłaby zyskać błyskawiczne ładowanie bez kompromisu w czasie pracy i samej trwałości.
Czytaj też: To paliwo jądrowe rozstrzygnie przyszłość małych reaktorów nuklearnych
Badania otrzymały wsparcie od Australian Research Council i US Air Force Office of Sponsored Research, co podkreśla ich strategiczne znaczenie. Wykorzystanie lokalnych australijskich zasobów grafitu dodatkowo zwiększa atrakcyjność tej technologii z perspektywy bezpieczeństwa dostaw i niezależności energetycznej.