Grafen för Green Grid

Att integrera oregelbundna källor för förnybar energi, såsom vind och sol, med elnätet, och samtidigt hålla kraftuttaget stabilt, kommer att bli en stor utmaning. Energilagringsenheter som kallas ultrakondensatorer kan hjälpa till genom att lagra plötsliga strömstötar. Men mycket kommer att bero på att utveckla en ny generation av ultrakondensatorer med tillräckligt med lagringskapacitet för att möta den troliga efterfrågan.

Grafenkraft: Graphene Energy hoppas att grafenelektroder som denna kommer att öka energilagringskapaciteten och uteffekten hos ultrakondensatorer. Denna bild, som visar kanten på en grafenelektrod, gjordes med ett svepelektronmikroskop.

Grafen energi , en startup baserad i Austin, TX, hoppas att ultrakondensatorer med elektroder gjorda av grafen – ark av kol bara en atom tjock – kommer att vara lösningen. Lagringskapaciteten för en ultrakondensator begränsas endast av ytan på dess elektroder, och grafen erbjuder ett sätt att kraftigt öka den tillgängliga ytan.

Ultrakondensatorer lagrar energi elektrostatiskt, istället för kemiskt, som i batterier. Under laddning kommer elektroner till ytan av en elektrod, och elektronhål bildas på ytan av den andra. Detta drar positiva joner i en elektrolyt till den första elektroden och negativa joner till den andra. Däremot begränsar de kemiska reaktionerna som används för att ladda batterier hastigheten med vilken de kan laddas och orsakar så småningom att elektrodmaterialen går sönder. Ultrakondensatorer kan laddas och laddas ur mycket snabbt, på sekunder snarare än minuter, och kan laddas om miljontals gånger innan de slits ut.

Ultrakondensatorer som för närvarande finns på marknaden kan dock inte matcha batterier för energitäthet, så de används mest i hybridsystem tillsammans med batterier eller för nischapplikationer. Eftersom dessa enheter kan hantera ett snabbt inflöde av stora mängder energi, används de ofta för att återvinna energi – till exempel när en stadsbuss bromsar eller en portalkran sänker sin last. Ultrakondensatorer som används på detta sätt har minskat med 40 procent den energi som behövs för vissa kranar som används i japanska hamnar. Ett fåtal elverktyg, inklusive en elektrisk borr, drar fördel av ultrakondensatorernas snabba laddningsförmåga.

Graphene Energy hoppas kunna öppna upp nya ultrakondensatorapplikationer genom att utveckla enheter med mycket högre effekt. Dessa ultrakondensatorer skulle kanske kunna användas för att reglera överspänningar i elnätet eller för att driva hybridtransportfordon. Företaget har $500 000 i startfinansiering för att kommersialisera grafen-ultrakondensatorer utvecklade av Rodney Ruoff , professor i maskinteknik vid University of Texas i Austin. Ruoff är en av grundarna av Graphene Energy och fungerar även som företagets tekniska rådgivare.

Befintliga ultrakondensatorer använder elektroder gjorda av aktivt kol – ett poröst, kolliknande material som har en mycket stor yta. Förråd av aktivt kol laddas i tunnelliknande porer, och det tar ungefär en sekund för det att färdas in och ut. Detta är mycket snabbt jämfört med de snabbaste batterierna, men aktivt kol har en begränsad effekt.

För att göra grafen till dess elektroder börjar Ruoffs team med att lägga grafitoxid i en vattenlösning. Detta gör att materialet flagnar till atomtunna ark av grafenoxid. Därefter avlägsnas syreatomerna och lämnar grafenet kvar. Hittills har Ruoffs labb gjort grafen-ultrakondensatorer som matchar prestandan hos de som är gjorda med aktivt kol. Med ytterligare förbättringar, säger han, borde de överträffa aktivt kol, även om de steg som hans företag tar för att uppnå detta förblir hemliga.

Baserat på en beskrivning av grafen-ultrakondensatorerna som publicerades i september förra året i tidskriften Nanobokstäver , säger John Miller från JME, ett forsknings- och konsultföretag som specialiserat sig på elektrokemiska kondensatorer, att det verkligen borde vara möjligt att förbättra deras prestanda. Grafenelektroden som beskrivs i denna tidning är vaddad till en boll som ett skrynkligt papper, säger Miller. Du har inte full tillgång till ytan.

Om Graphene Energy kan odla elektroderna i vertikala arrayer, som en rad helt platta pappersark som står på kanten, säger Miller att uteffekten kan ökas dramatiskt. I detta arrangemang skulle varje enskild kolatom vara exponerad och kunna lagra energi, med praktiskt taget ingen väntetid för laddningen att färdas ner i tunnlarna som finns i aktivt kol.

Men förutom att förbättra prestandan hos dess ultrakondensatorer måste Graphene Energy också utveckla en metod för att göra dem i större skalor – en gemensam utmaning för all grafenforskning.

Dileep Agnihotri , VD för Graphene Energy, säger att företaget hoppas kunna testa sin första prototypprodukt som innehåller grafenelektroder i slutet av detta år.

En annan grupp forskare hoppas kunna göra bättre ultrakondensatorelektroder med hjälp av kolnanorör – upprullade rör av grafen som har många av samma egenskaper. Jag tror att båda tillvägagångssätten kan fungera i princip, säger Joel schindall , en professor i elektroteknik och datavetenskap vid MIT som arbetar med nanorörselektroderna. Nyckeln är att få tillväxtprocessen rätt och sedan arbeta på sätt att tillverka den på ett kostnadseffektivt sätt.

Dölj