Kondenzátory z nanotrubek nahradí akumulátory

Martin Šrubař · 15. 2. 2006

Technologie

Akumulátory stále tvoří úzké hrdlo využití drobné elektroniky. Jejich dlouhé nabíjení, nízká kapacita, malá proudová zatížitelnost a životnost jsou omezujícími faktory pro návrh špičkových zařízení. Všechny problémy vyřeší kondenzátory z nanotrubek s vysokou kapacitou.

“Ultrakondenzátory” z nanotrubek

"Les" nanotrubek - podobný tvoří elektrody superkondezátorů
Credit: NanoLab

Ultrakondenzátory nebo superkondenzátory (je to totéž) nejsou nová věc. Už v roce 1957 si General Electric nechal patentovat kondenzátor s porézní uhlíkovou elektrodou. Na tomto principu jsou vysokokapacitní kondenzátory založeny dodnes a používají se v mnoha aplikacích včetně hybridních automobilů. Jejich nevýhodou je desetkrát až dvacetkrát menší kapacita v poměru k hmotnosti (3 až 5 Wh/kg) a vyšší cena. Jinak převažují výhody – rychlé nabití a vysoké vybíjecí proudy, trvanlivost mnoho tisíc cyklů, nízká toxicita a účinnost vyšší než 95 %. Uhlíkovou elektrodu tvoří grafitový aerogel (extrémně porézní pěna) podobný nanopěně. Nyní vědci vytvořili elektrody z pole nanotrubek, které nabízí ještě větší plochu k uložení elektronů v kondenzátoru, a tak zvyšují jeho měrnou kapacitu na úroveň běžných akumulátorů.

Možné problémy nanotrubkových elektrod

Elektrické pole mezi elektrodami v nejjednodušším deskovém kondenzátoru je krásně jednoduché a siločáry pole jsou převážně přímé, svitkové kondenzátory nejsou o mnoho složitější, takže jejich kapacitu a přípustné maximální napětí můžeme snadno dopředu navrhnout a vypočítat. S nanotrubkami je to složitější. Elektrody s “lesem” miliónů nanotrubek by se přesně modelovaly jen obtížně, a tak parametry superkondenzátorů zjišťujeme spíše experimentálně. S tím souvisí také to, že k dosažení vysoké kapacity kondenzátoru při malém objemu, potřebujeme velmi malou mezeru mezi elektrodami, důsledkem čehož je nutné snížit přípustné napětí na kondenzátoru. Uvádí se nejvýše 2,5 V. V praxi bude nutné řadit mnoho superkondenzátorů za sebe k dosažení použitelných hodnot napětí. Zvýšení kapacity pomocí vhodného dielektrika (vhodná nevodivá látka) nejspíše nepřipadá v úvahu, protože by se nám v něm nepodařilo nanotrubky “vypěstovat” a pozdější zalití elektrod by vzhledem k možnosti poškození nanotrubek a velmi malé vzdálenosti mezi elektrodami nebylo realizovatelné.

Kondenzátory nahradí akumulátory

Superkondenzátory jsou ideální náhradou za akumulátory. Až se budou vyrábět levně s dostatečnou kapacitou a nízkou hmotností, nebudou mít v podstatě nevýhody. Vysoká účinnost, kapacita, nabíjecí rychlosti a vybíjecí proudy, vysoká odolnost, téměř neomezená životnost a nízké ztráty jsou přesvědčivé argumenty v jejich prospěch. Vede mě to k přesvědčení, že osobní elektronika budoucnosti bude obsahovat napevno zabudovaný kondenzátor s dostatečnou kapacitou, jež se nabije za několik minut. Ti, kteří budou chtít být dlouhodobě nezávislý na externím zdroji elektrické energie, tady budou malé spalovací motory, ale všichni ostatní se zbaví akumulátorů a nahradí je kondenzátory. Nic tomu již v cestě nestojí.

Komentáře

gro – 15.2.2006

Jednu nevyhodu vidim hned v jiste etericnosti (naznacene uz i nemoznosti vrstveni), coz muze mit dost neprijemny dusledek v nebezpecnosti.Pri uvazovane uskladnene energii mnoha AH bude zkrat (lavinovy zkrat) zapricineny pripadnou mechanickou deformaci doslova osudovy, mozna nejen pro supermega kondenzator ale i pro uzivatele :-(.Take si dovolim pochybovat o tom ze takove exoticke technologie budou nekdy levne, na to vim o moc "technomrtvolkach" ...

Martin – WWW – 16.2.2006

[1] Děkuji za zajímavý komentář. Je pravda, že nemožnost bezpečně od sebe izolovat elektrody, by byla velké bezpečnostní riziko. Takže pro praktické použití bude nutné tento problém nějak vyřešit, což asi bude nutná podmínka pro to, aby se z nanotrubkových kondenzátorů skutečně nestala "technomrtvolka".

Prokop Hapala – 16.2.2006

Co jsem zatim o tomhle cetl, pripadalo mi to velice slibne a vubec ne nerealne (povrchy pokryte kratkymi nanotrubkami zdaleka tak "exoticke" a nakladne nejsou) jenomze aplikaci jsem spise videl v buzeni zarizeni s velkym spickovym prikonem (napr. LASERy)Z parametru, ktere jsem se zatim docetl jsem spocital odhad hustoty ulozeni energie radove 1000x mensi nez v chemickem palivu. (Coz neni myslim ani v rozporu s odhadem 20x mensi nez v akumulatoru tebou uvedeny). Pride mi to docela malo pro prenosne zarizeni//bohuzel nemam uz predstavu z ceho a jak jsem to pocital takze to je jen tak placnute :)

Prokop Hapala – 16.2.2006

-mozna bych nemel tykat, to mi ujelo, omlouvam se-zase sem si to po sobe neskontroloval

Martin – WWW – 16.2.2006

[4] Tykání jen vítám a děkuji za tradičně zajímavý komentář.

Stanley_B707 – WWW – 16.2.2006

Na uskladňovanie veľkého množstva energie sú už dávno vyvinuté "homopolárne generátory". Na jednej konferencii z Hajfy - Izrael, bol prepočet (nepamätám si už o koľko išlo MJ asi 2-3MJ) kde bežné olovené akumulátory dosahovali asi 1,2t u kondenzátorov sa hmotnosť uvádzala tiež v tonách (optimistický kondenzátor s kapacitou 1kJ/kg) a homopolárny generátor mal okolo 70kg (rozmer asi m3). Jednalo sa o riešenie napájania lineárneho elektromagnetického urýchľovača, kde boli vyžadované prúdy v jednotkách kA vo veľmi krátkom čase (menej ako 1s). Nevýhodou takéhoto zariadenia však je vyská stratovosť (pri dlhodobom skladovaní energie) avšak v prípade uvedenej aplikácie sa predpokladalo dlhé nabíjanie zo zdroja s malým výkonom (cca 20-25min) a viacmenej okamžité vybitie pre účely urýchlenia projektilov.

Prokop Hapala – 16.2.2006

http://en.wikipedia.org/wiki/Homopolar_generatorjde tedy o zpusob vymeny energie se setrvacnikem"worlds largest (500MJ)"upozornuji ze ve spolubidliciho kofole je rozpusteno 1,4MJ/kg energie, a jeho kilo cukru obsahuje 17MJbenzinu 40MJ a vodiku 120MJ :) s tim se tezko soutezi :)Ale ono jde u tech kondenzatoru hlavne o jejich jednoduchost a flexibilu ovladani. napr. v PALS nebo u ceskeho tokamaku se pouzivaji taky kondenzatory.

Stanley_B707 – WWW – 17.2.2006

Nehovorím, že nemáte pravdu, ale až vivinieme nejaký konvertor elektrický prúd-cukor(uhľovodík)-elektrický prúd s rozumnou účinnosťou a hlavne rýchlosťou (narážam na palivové články) za rozumnú cenu, potom budeme môcť na starý dobrý Faradayov homopolárny diskový generátor s kľudom zabudnúť ako na prehistorický mechanický stroj. Čo sa týka kapacity v pomere ku veľkosti a hmotnosti si myslím, že HPG zatiaľ vedie aj keď všetko má svoje mínusy.Použitie HPG má nesporné výhody v mobilnej technike (napr. elektrické granátomety) pre jeho jednoduchosť a malú hmotnosť.

Prokop Hapala – 18.2.2006

Pokud bych se zameril na vami uvadene vojenske aplikace (uznavam ze jsou dobrym prikladem mobilni techniky s extremnim spickovym prikonem). Chcete odpalit projektil urcitou rychlosti (dejme tomu podkaliberni projektil 5kg, 1700m/s, 7MJ, delka 500mm, penetrace 800mm) potom by jste napr. potreboval roztocit setrvacnik tvaru prstence stejne hmotnosti na stejnou rychlost (zidealizovane). Pri prumeru 1m by na nej pusobyly sily vetsi nez na projektil pri pruchodu ocelovym cilem. Samozdrejme se da u tanku ocekavat napr. setrvacnik hmotnosti 700kg ktery podle vasich udaju umozni priblizne vystrel 1-2 projektilu dvojnasovne energie male hmotnosti a velke rychlosti nedosazitelne chemickou cestou (odpovidajici hmotnost streliviny je 10-20kg asi 10% ucinost). Pokud by nabijeni spotrebovalo polovinu vykonu 1MW motoru pak by trvalo okolo jedne minuty. To vse pri nepravdepodobne 100% ucinosti. Vyhody oproti chemickým strelivinam (napr experimentalnim kapalnym slozim) mi nepripadaji priliz presvedcive. I kdyz me samotnemu railgun a gaussgun pripadaji take velmi zajimave. V souvislosti s tim je dobre zamyslet se take nad moznostmi koncove akcelerace pomoci zuzujici se hlavne nebo kombinace vlastnosti kanonu a smerove naloze. Dale jsou zajimave moznosti nanotechnologie - molekularni pruziny (poly-helicen, zkorucena nanotrubka). Deformacni energie vazby muze dosahovat energie srovnatelne s vazebnou energii (uvazujme napr. C-C 348KJ/mol, deformacni energie dejme tomu 10KJ/mol). Takova pruzina by pak byla schopna akumulovat ~1MJ/Kg a uvolnit ho okamzite primo mechanicky. Samozdrejme takova pruzina by byla napnuta napetim az v radech GPa. Mozna by to znamenalo reinkarnaci luku :)

Milan Vandrovec – 2.4.2006

Obávám se, že naděje projevené v tomto článku jsou patrně liché. Hlavní problém kondenzátorů je dielektrikum, nikoli elektrody. Pár výpočtů, snad nejsou úplně z cesty:[C=kapacita, S=plocha desek, d=vzdálenost, U=napětí, A=energie, eps=permitivita dielektrika, pev=elektrická pevnost diel.)A=1/2 C U^2C=eps S/dU=pev d =>A=1/2 eps pev^2 S deps a pev jsou dány materiálem, S * d je objem kondenzátoru (za předpokladu zanedbatelně tenkých desek). Rovněž energie na kilogram závisí na materiálu dielektrika.Materiál elektrody tedy prakticky nemá na vlastnosti kondenzátoru vliv.

Martin – WWW – 2.4.2006

[10] Výpočet je zcela správně, ale platí pro dvě rovnoběžné desky. Nanotrubkový povrch sledovaný na úrovni nanometrů jimi nelze nahradit, proto také zmínka v článku o obtížném modelování "lesu" nanotrubek v kondenzátoru. Nanotrubky dokáží při nezměněním objemu kondenzátoru zvětšit účinnou plochu, ale elektrické pole se stane složitějším.

Milan Vandrovec – 2.4.2006

[11] Vtip je v tom, že nakonec z dielektrika zůstane v tom vzorečku jenom objem. Tloušťkou/plochou dielektrika lze měnit maximální napětí, ale energie zůstává.Pokud jde o ten tvar pole, tak už jsem sice nějakou dobu ze školy, ale co si pamatuji, tak každá odchylka od rovinných desek je k horšímu. Intuitivně to lze říci tak, že placatý kondenzátor má homogenní pole, takže využívá dielektrikum ve všech místech maximálně. Tím pádem každý jiný tvar musí dielektrikem v některém místě plýtvat (nevyužívá celou elektrickou pevnost).Jedině snad že by dielektrikum při tloušťce několika atomů začalo mít zvláštní chování, ale obávám (domnívám) se, že to bude opět jenom k horšímu - elektrony začnou tunelovat a máme drát místo kondenzátoru.

Martin – WWW – 3.4.2006

[12] Až teď jsem si uvědomil na co narážíš a že máš úplnou pravdu. Děkuji za trpělivost. Asi bych měl cvičně vypočítat objem takového ideálního deskového kondenzátoru pro max. napětí 3 V a pak uvidím, zda nanotrubky jen efektivně využijí teoretickou kapacitu kondenzátoru, nebo se uplatňuje jev, o kterém nic nevím, a pak by jedna část článku postrádala zcela smysl.

Prokop Hapala – 9.4.2006

No ono jde o to ze kondenzatory nelze vyrabet jen podle vzorce A=1/2 eps pev^2 S dprotoze kdyz by se vzalo nejake skvele dielektrikum s obrovskou pevnosti jako tlusty kvadr musely by se pak resit jeste dva problemy:1]Vsechny obvody, prepinace, izolatory by musely mit prinejmensim stejnou pevnost (tloustku) jako onen blok dielektrika 2]Napeti nekolika tisic ne li milionu voltu se pro vetsinu aplikaci nehodi, uvazovane auto by muselo mit patricne tranformatory ... a taky by to bylo dost nebezpecne-Proto se vyrabeji kondenzatory s co nejvetsi kapacitou..a ta je pri danem objemu odpovida S^2

Zdenek Pavlas – 5.10.2006

Hmm, a energetická hustota zase odpovídá U^2.. Kondenzátor s napětím 2.5V je celkem k ničemu, potřebuje měděné kabely tlusté jak palec, navíc pro regulaci bude potřeba nějaký PWM, a nízké napětí se bude spínat s ohromnými ztrátami..Praktická napětí jsou 100-500V, taková používají současné (akumulátorové) elektromobily. Honda používá 144V, Toyota 276V.

Lubos Jankovic – 30.12.2006

Potencionalne zaujimave aplikacie sa skryvaju aj v pripade uhlikovych nanotrubiciek plnenych urcitymi kovmi , oxidmi kovov , magetickych materialov a tiez aj farmakologicky aktivnymi latkami. http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/nalefd/2006/6/i06/abs/nl0602387.html

Martin – WWW – 31.12.2006

[16] Děkuji za zajímavý odkaz, škoda jen, že momentálně není daný text volně přístupný.

Komentáře můžete zaslat na tento email.

Share: Twitter, Facebook