Новая энергетика: от аккумуляторных батарей до суперконденсаторов

Батареи и конденсаторы предназначены для хранения электричества, но принцип работы у них совершенно разный...

Новая энергетика: от аккумуляторных батарей до суперконденсаторов

Если вы думаете, что электричество сегодня играет просто важную роль в нашей жизни, то вы еще не осознали насколько она значительная! К примеру, в ближайшие несколько десятилетий наша транспортная система, отопительные сети и др., использующие в качестве источника энергии ископаемое топливо, нуждаются в переходе на электроэнергию, если мы хотим иметь предотвратить катастрофические изменения в окружающей среде. Электричество является чрезвычайно универсальной формой энергии, но имеет один большой недостаток: батареи могут сохранять большое количество энергии, но это занимает несколько часов для зарядки. Суперконденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но могут хранить небольшое количество энергии. В нашем электроприводном будущем, когда будет нужно аккумулировать и быстро расходовать большое количество электроэнергии, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам, которые сочетают в себе лучшее от обычных батарей и конденсаторов. Каковы они и как они работают, рассмотрим поближе.

Как хранится электрический заряд?

Аккумуляторные батареи, так и конденсаторы предназначены для хранения электричества, но принцип работы у них совершенно разный. Батареи имеют два электрических контакта (электрода), разделенных химическим веществом, называемым электролитом. При включении питания, химические реакции происходят с участием обоих электродов и электролита. Эти реакции преобразования химических веществ внутри батареи в другие вещества, сопровождаются выделением электрической энергии. Как только эти химические вещества истощаются, реакции останавливаются, и аккумулятор становится разряженным. Аккумуляторная батарея, например, литий-ионный блок питания, используемый в ноутбуках, мобильных телефонах и других гаджетах, успешно работает на таком цикле, так что вы можете разряжать и заряжать аккумулятор гаджета сотни раз, прежде чем батарея будет нуждаться в замене.

В конденсаторах же применяется принцип статического электричества (электростатика), а не химии для хранения энергии. Внутрь конденсатора помещается две проводящих металлические пластины с изоляционным материалом, диэлектриком, между ними, - так называемый, диэлектрический бутерброд.

Конденсаторы имеют много преимуществ по сравнению с аккумуляторами: они весят меньше, как правило, не содержат вредных химических веществ и токсичных металлов, также их можно заряжать и разряжать миллиард раз, без износа. Но у них есть и большой недостаток: чтобы сохранить значительное количество энергии, вам нужно использовать огромные металлические плиты или же искать более эффективный материал для диэлектрика.

Изучение варианта усовершенствования диэлектрического материала между металлическими пластинами привело ученых в середине 20 столетия к суперконденсаторам.

Что являет собой суперконденсатор?

Суперконденсаторы (часто называемые ультраконденсаторами) имеют много общего и с батарей и с конденсаторами. Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух пластин, разделенных диэлектриком. Но пластины сделаны не из металла, а из пористого вещества, например, порошкообразного углерода, который дает им эффективно большую площадь для хранения соответственно большего заряда.

Если сравнить электричество с водой, то обычный конденсатор похож на ткань, которая может поглотить небольшое количество влаги, а пористые пластины суперконденсаторов больше похожи на губку, которая может впитать намного больше воды. Это сравнение можно назвать удачным, поскольку пластины суперконденсаторов очень похожи на пористую губку пропитанную электроэнергией.

Как и батареи, суперконденсаторы имеют электролит, электрически активное химическое вещество внутри него, которое отделяет его пластины, что больше похоже на электролит в батарее, чем на диэлектрик в обычных конденсаторах. Электролит, электрически активный слой суперконденсатора, добавляет еще один аспект: заряженные пластины поляризуют электролит, заставляя положительные ионы в нем двигаться в одну сторону, а отрицательные в противоположную, вызывая последующую систему зарядки, что образует, так называемый, электрический двойной слой, который позволяет пластинам сохранять большое количество энергии. Это, кстати, объясняет, почему суперконденсаторы еще называют двухслойными конденсаторами. В отличие от батарей, положительные и отрицательные заряды в суперконденсаторах образуются исключительно за счет статического электричества, а не во время химических реакций.

суперконденсатор, конденсатор, аккумуляторная батарея, схема

Суперконденсаторы могут хранить больше энергии, чем обычные батареи и конденсаторы, создавая двойной слой зарядов , разделенных между двумя пластинами из пористых углеродных материалов. Пластины создают между собой двойной слой полярного электролита (на рисунке в - желтый цвет).

Первые суперконденсаторы были придуманы в конце 1950-х с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор, достижения в области материаловедения привели к применению более эффективных материалов для изготовления пластин, например, углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, образованные с использованием нанотехнологий), графен, аэрогель, титанат бария и др.

В чем отличие суперконденсаторов от аккумуляторов и обычных конденсаторов?

Фото:Дрель на суперконденсаторах для работы в космосе (NASA-GRC) .

Суперконденсаторы иногда могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Аккумуляторная дрель на фото, предназначенная для использования в космосе, работает на суперконденсаторах, разработанных NASA. Огромным преимуществом над обычным сверлом является то, что дрель на суперконденсаторах может заряжаться за считанные секунды, а не часы. Фото: NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Где заканчиваются аккумуляторные батареи и начинаются суперконденсаторы?

В качестве единицы измерения электрического заряда в физике используется фарад (F), названный в честь британского новатора, химика и физика Майкла Фарадея (1791-1867). Типичные конденсаторы, используемые в электросхемах, могут хранить лишь незначительное количество электроэнергии (показатели варьируются в единицах, называемых микрофарад или пикофарад, которые составляют миллионные и миллиардные от 1 фарада). В тоже время, суперконденсаторы могут хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (номинальный фарад).

Коммерческие версии суперконденсаторов, сделанные крупнейшими компаниями, имеют емкости мощностью до нескольких тысяч фарад, что все еще представляет собой только часть (может быть, 10-20 процентов) электрической энергии, которую можно «упаковать» в батарею. Но большое преимущество суперконденсаторов состоит в том, что он может заряжаться энергией почти мгновенно, гораздо быстрее, чем батареи. Это объясняется тем, что суперконденсатор работает путем создания статических электрических зарядов на твердых телах, в то время как батареи зависят от медленно текущих химических реакций, часто при участии жидкостей.

Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию намного быстрее). Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (около 2-3 вольт), они могут быть последовательно соединены для получения большего напряжения, что может быть использовано в более мощном оборудовании.

Суперконденсаторы функционируют по электростатическому принципу, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжаться любое количество. Они практически не имеют внутреннего сопротивления, что позволяет развить близкую к 100% эффективность их работы.

Группой американских ученых из Университета Дрекселя (Drexel University) в Филадельфии под руководстовом профессора Ю.Гогоци и французской научно-исследовательской организации CNRS , были опубликованы в научном журнале Nature Nanotechnology результаты исследований в области развития суперконденсаторов с особыми свойствами. Используя собственную методику обработки наноматериалов и наноалмазов, американские ученые разработали новую технологию производства миниатюрных суперконденсаторов.

Технология суперконденсаторов можеть найти широкое применение в приборостроении, энергетике (например, дним из распространенных применений является использование в ветряных турбинах, где суперконденсаторы помогают сгладить прерывистое питание от ветра), автомобилестроении, машиностроении, электротехника(в электрических и гибридных транспортных средствах для питания электропривода), также эффективно использование в качестве питания мобильных гаджетов, и др.

 Интервью с профессором Юрием Гогоци об устройствах, которые придут на смену традиционным батарейкам и аккумуляторам, и ситуации на Украине

 

 

 

 

НОВОСТИ НАУКИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

В Сумском Государственном Университете состоится лекция профессора Юрия Гогоци «От открытия новых (нано) материалов к передовым технологиям или приключения украинца в Америке», 27 мая 2021 г. в 16:00, Конгресс-Центр СумГУ

Профессор Юрий Гогоци, директор Института наноматериалов имени А. Дж. Дрекселя, Университет ДрекселяСовместно с этой лекцией профессор Юрий Гогоци получит звание почетного доктора Сумского государственного университета.Это уникальная возможность приобщиться к науке мирового уровня, окунуться в мир наноматериалов и проследить научный путь нашего соотечественника. Лекция пройдет в 16:00, 27 мая 2021 года в Конгресс-Центре СумГУ, зал Сингапур 220, в г. Сумы.

 
Использование двумерного материала максена MXene, в качестве фильтра в носимом устройстве искусственной почки

MXene порыМатериал MXene, который был впервые получен учеными из Университета Дрекселя в 2011 году, - это еще один шаг к тому, чтобы изменить жизнь людей, страдающих болезней почек на последней стадиии.  Nephria Bio, Inc., спин-офф южнокорейской компании по производству медицинского оборудования EOFlow Co., Ltd., расположенной в США, подписала лицензионное соглашение с университетом на использование двумерного материала максена MXene, в качестве фильтра в носимом устройстве искусственной почки, которое они разрабатывают. Эта технология может позволить многим из миллионов людей всем мире, страдающих заболеванием почек последней стадии, более свободно передвигаться, не тратя часы каждую неделю на привязанность к большим диализным аппаратам.

 
Покрытие из максена MXene может защищать носимые устройства от электромагнитных помех

mxene-emi-fabric

Группа ученых из Университета Дрекселя (Филадельфия, США) опубликовала многообещающие результаты исследования, которые показывают, что ткань, покрытая высокопроводящим двумерным материалом под названием MXene, очень эффективно блокирует электромагнитные волны и потенциально опасное излучение. Эта работа может существенно повлиять на промышленное производство электронного текстиля, становясь привлекательной альтернативой используемым в настоящее время металлическим проводящим красителям, и позволяя широко внедрять бесшовно интегрированные текстильные устройства со значительными улучшенные характеристики экранирования электромагнитных помех.

 
Интервью профессора Юрия Гогоци о его исследованиях, разработках, поисках вдохновения, финансирования и контактов в научном мире

Профессор Юрий Гогоци, директор Института наноматериалов имени А. Дж. Дрекселя, Университет ДрекселяПрофессор Юрий Гогоци - самый цитируемый ученый украинского происхождения и один из самых высоко цитируемых ученых в мире. Например, по данным Microsoft Academic за период последние 5 лет в области материаловедения (Materials science) он занимает второе место в мире по цитируемости его работ, по уровню h-index - четвертое. Также и другие наукометрические системы присваивают ему высочайшие рейтинги в мире (Web of Science, Scopus, Google Analytics). Он открыл новые материалы - Максены, которые, возможно, изменят мир. Юрий работал в Германии, Японии, Норвегии и, наконец, остановился в США, в Университете Дрекселя. Публикуем перевод интервью профессора Юрия Гогоци Журналу "Куншт" о его разработках, поисках вдохновения, финансирования и контактов в научном мире.

 
Масштабируемая система c реактором травления для производства перспективных 2D наноматериалов максенов MXenes

alt

Недавно группа исследователей опубликовала статью в журнале Advanced Engineering Materials о том, что лабораторная система с реактором травления, разработанная в Materials Research Centre в Киеве совместно с Университетом дрекселя, может превращать керамический материал-исходник в порошкообразный черный двумерный карбид титана MXene партиями в количестве до 50 граммов за синтез.

 
Участник проекта CANBIOSE из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, посетил партнерскую организацию Вильнюсский университет, Вильнюс, Литва, 22.02-14.03.2020 г

altУчастник проекта CANBIOSE из Центра материаловедения (MRC), выполнил визит в партнерскую организацию Вильнюсский университет, для выполнения программы совместных исследований и тренингов.

 
Наука будущего и использование разумных наноматериалов в новых технологиях. Лекция профессора Юрия Гогоци для школьников, воспитанников Малой академии наук Украины в КПИ им. Сикорского, 27 февраля 2020 года

altВсемирно известный ученый-украинец профессор Юрий Георгиевич Гогоци рассказал о последних новинках нанотехнологий. Возможность для общения с ученым мирового уровня - редкость, но воспитанникам Малой Академии Наук Украины (МАН) везет. Именно такую ​​возможность они недавно получили.

 
Участник проекта H2020 NANO2DAY от MRC Иван Гришко посетил партнерскую организацию Латвийского Университета, Риги, в ноябре-декабре 2019 года

altИнженер-исследователь из MRC Иван Гришко находится в Латвийском университете, где провел семинар по MXenes

 
Участники проекта Horizon 2020 CANBIOSE из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, посетили партнеров по проекту из Университета им. Адама Мицкевича в Познани, Польша, 27.10-26.11.2019019

altСовместно с польскими коллегами они  получали навыки работы с оборудованием, участвовали в работе по тестированию и характеризации наноматериалов.

 
Участники проекта Horizon 2020 NANO2DAY из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, Зозуля Юлия и Виталий Балицкий посетили партнерскую организацию Каунасский технологический университет, Каунас, Литва, август 2019 г. - октябрь 2019 г.

altСовместно с коллегами из КТУ они занимались симуляциями и моделированием механических свойств наноматериалов и нанокомпозитов.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци с избранием в члены Европейской академии наук (EURASC)!

профессор Юрий Гогоци, Университет Дрекселя, СШАВ январе 2019 года профессор Юрий Гогоци был избран членом Европейской академии наук (EURASC). Профессор Юрий Гогоци - ведущий украинский и американский ученый в области химии, с 2000 года профессор Университета Дрекселя, Филадельфия, США, в области материаловедения, инженерии и нанотехнологий.

 
Участники проекта Horizon 2020 NANO2DAY из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, посетили партнерскую организацию Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь, май 2019 года.

altMRC посетил партнерскую организацию Белорусский государственный университет. Вместе с нашими партнерами из БГУ был обсужден и изучен опыт в области диспергирования CNT и графена в полимерах. Проводились сравнения разных смол  и отвердителя для изготовления полимерной матрицы.

 
Визит по проекту NANO2DAY доктора Виталися Лейсиса из Каунасского технологического университета в Центр Материаловедения, Киев, Украина, в ноябре-декабре 2018 г.

altУченый исследователь Виталис Лейсис из Каунасского университета, Каунас, Литва, посетил Materials Research Centre, Киев, Украина,  в ноябре-декабре 2018 года для выполнения работ по проекту MSCA RISE NANO2DAY в рамках международной европейской научно-исследовательской программы Горизонт-2020.

Целью этого проекта является разработка новых многофункциональных композитов с выдающимися электронными и механическими свойствами путем включения новых наноматериалов MXene в полимерные матрицы. Во время своего визита доктор Виталис Лейсис ознакомился с разработками партнера проекта MRC, также обсуждались и прорабатывались компьютерные симуляции и моделирование структуры полимерных композитов допированных максенами (MXenes) для дальнейшего расчета их прочностных свойств.

 
ADVANCED SCIENCE NEWS: Профессор Юрий Гогоци считает, что величайшим последним шагом в области материаловедения стало открытие новых 2D материалов, так называемых «строительных блоков будущего».

yurigogotsi_drexel_university_2018.jpg - 466.16 Kb

Юрий Гогоци прирожденный  химик, его волнуют научные открытия и он даже не представляет, что мог бы заниматься чем- то иным.

Профессор Юрий Гогоци считает, что величайшим последним шагом в области материаловедения стало открытие новых 2D материалов, так называемых «строительных блоков будущего». Он с большим энтузиазмом относится к использованию нанотехнологий для создания «новых искусственных материалов, конструкций и устройств из наноразмерных строительных блоков» и к более широкому применению «симуляций, моделирования и компьютерных расчетов для решения проблем материаловедения», хотя и признает обеспокоенность по поводу неизвестных эффектов, которые искусственный интеллект окажет на нашу будущую жизнь. 

 
Участники проекта NANO2DAY из Materials Research Centre (MRC), Киев, Украина, в рамках международного научного сотрудничества по программе Горизонт 2020 посетили партнерскую организацию Университет Дрекселя, Филадельфия, США, сентябрь-октябрь 2018 г.

alt

Участники проекта от MRC работают в тесном сотрудничестве с исследователями из Университета Дрекселя, перенимают опыт в синтезе двумерных наноматериалов максенов (MXene), знакомятся и изучают последние разработки коллег из группы Института Наноматериалов Университета Дрекселя под руководством профессора Юрия Гогоци по синтезу максенов, их обработке и применениям для разных назначений. Участниками  от MRC совместно с  исследователями из Дрекселя в химической лаборатории Университета Дрекселя были синтезированы максены  для нужд проекта NANO2DAY. 

 
Директор Materials Research Centre Алексей Гогоци во время рабочей поездки в Университет Дрекселя по по проекту NANO2DAY выступил на семинаре с презентацией компании Materials Research Centre

altДиректор Materials Research Centre (Киев, Украина) Алексей Гогоци  во время рабочей поездки по по проекту  европейской программы HORIZON 2020 MSCA RISE Project №777810 NANO2DAY в Университет Дрекселя выступил на семинаре с презентацией компании Materials Research Centre, ее деятельности и участии в международных научно-исследовательских проектах, и в частности проекта NANO2DAY.

 
Директор Materials Research Centre, Киев, Украина, встретился с профессором Zdenek Sofer из University of Chemistry and Technology, Прага, Чехия, и посетил его семинар по 2d наноматериалам, Университет Дрекселя, США, 18 октября 2018 г.

altВо время рабочей поездки в Университет Дрекселя по международномунаучно-исследовательскому проекту NANO2DAY в рамках европейской научной программы HORIZONT 2020 директор Materials Research Centre, Киев, Украина, встретился с профессором Zdenek Sofer  из Высшей школы химической технологии,  Прага, Чехия, и посетил его семинар по наноматериалам. Професоор Zdenek Sofer выступил с интересным докладом посвященным разным двумерным материалам помимо графена. 

 

 
Визит по проекту NANO2DAY ученого-исследователя Максима Плахотнюка из Датского Технического Университета в Центр Материаловедения, Киев, Украина, в сентябре-ноябре 2018 г.

NANO2DAY project Maksym Plakhotnyuk, DTU visited MRC, November 2018Ученый-исследователь Максим Плахотнюк из исследовательской группы Technical University of Denmark (DTU), возглавляемой проф. Леоном Мишнаевским (prof. Leon Mishnaevsky, Technical University of Denmark), посетил Materials Research Centre, Киев, Украина, на протяжении сентября-ноября 2018 года по программе Горизонт-2020 в рамках проекта MSCA RISE NANO2DAY.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци с вручением Ордена Дружбы от Китайского правительства, 29 сентября 2018

altНаграду профессору Юрию Гогоци вручал Вице-премьер министр Китая Лю Хе. Орден Дружбы - высшая государственная награда Китайской Народной Республики для иностранных граждан. Орден Дружбы - самая высокая награда Китая для иностранных экспертов, которые внесли выдающийся вклад в экономическое и социальное развитие страны.

 
15-я Ежегодная встреча Ялтинской Европейской Стратегии (YES) «Будущее поколение всего» состоялась в Киеве 13-15 сентября 2018

alt15-я Ежегодная встреча Ялтинской Европейской Стратегии (YES) «Будущее поколение всего» состоялась в Киеве 13-15 сентября 2018. В этой конференции, организованной международным форумом YES приняли участие ведущие политики, дипломаты, бизнесмены, общественные деятели и эксперты из 28 стран.