Grafen w nowej odsłonie
Sposobem na osiągnięcie przełomu okazał się materiał nazwany wieloskalowym zredukowanym tlenkiem grafenu (M-rGO), który powstaje z naturalnego grafitu w dwuetapowym procesie obróbki termicznej. Choć brzmi to skomplikowanie, zasadnicza idea jest prosta: chodzi o lepsze wykorzystanie dostępnej powierzchni aktywnej.
Nasz zespół pokazał, jak odblokować znacznie większą część tej powierzchni, po prostu zmieniając sposób obróbki cieplnej materiału – zauważa Mainak Majumder z Monash University
Opracowane urządzenia osiągają gęstość energii do 99,5 Wh/L przy zastosowaniu elektrolitów z cieczy jonowych, co stanowi wartości porównywalne z tradycyjnymi akumulatorami kwasowo-ołowiowymi. Jednocześnie zachowują one zdolność do błyskawicznego dostarczania mocy na poziomie 69,2 kW/L. To parametr nieosiągalny dla konwencjonalnych baterii. Naukowcy wprowadzili nowatorską metodę e-IE, która pozwala jonom elektrolitu na penetrację przestrzeni między warstwami grafenu. W efekcie pojemność urządzenia wzrasta trzykrotnie bez znaczącego zwiększania jego rozmiarów.
Czytaj też: Toyota obiecuje akumulatory działające 40 lat. Elektryczna rewolucja ma oblicze stałych elektrolitów
Wartość pojemności znormalizowanej do powierzchni BET wynosi 85,5 µF/cm², co znacząco przewyższa typowe materiały węglowe osiągające poniżej 10 µF/cm². Około 30% całkowitej pojemności pochodzi z procesów faradajowskich związanych z insercją jonów do struktur grafenowych. Technologia wykazuje imponującą trwałość, gdyż po 50 000 cykli ładowania urządzenia zachowują ponad 90% początkowej pojemności, przy średniej wydajności kulombowskiej wynoszącej 99,7%. Dla porównania, współczesne baterie litowo-jonowe w smartfonach zaczynają wyraźnie tracić pojemność już po kilkuset pełnych cyklach.
Kolejne przystanki czekające na inżynierów
Procesy produkcyjne M-rGO są skalowalne i kompatybilne z australijskimi złożami naturalnego grafitu, co stanowi istotny atut z perspektywy przemysłowej. Technologia nie wymaga egzotycznych surowców ani skomplikowanych łańcuchów dostaw.
Te wskaźniki wydajności należą do najlepszych, jakie kiedykolwiek odnotowano dla superkondensatorów na bazie węgla, a co najważniejsze, proces jest skalowalny i kompatybilny z australijskimi surowcami – dodaje Petar Jovanović
Szczegóły techniczne opublikowane w Nature Communications wskazują, że stabilność układu wynika z kontrolowanego osadzania warstwy międzyfazowej podczas procesu e-IE oraz zmniejszonej wymiarowości grafenu wieloskalowego. Komercjalizacją technologii zajmuje się firma Ionic Industries, spin-out Monash University. Przedsiębiorstwo już produkuje komercyjne ilości materiałów grafenowych i planuje wprowadzenie produktów na rynek.
Czytaj też: Szwajcarzy znaleźli sposób na śnieg na panelach słonecznych. Świetne wiadomości przed nadchodzącą zimą
Potencjalne zastosowania obejmują pojazdy elektryczne, stabilizację sieci energetycznej oraz elektronikę użytkową. Największą zaletą nowych superkondensatorów jest możliwość zastąpienia tradycyjnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych przy jednoczesnym zachowaniu zdolności do bardzo szybkiego dostarczania mocy. Kluczowe w kontekście wyjścia z tą technologią poza ściany laboratorium okażą się kwestie kosztów produkcji oraz konkurencyjności cenowej wobec istniejących rozwiązań.