Przemysł

Potencjał grafenu dla systemów energii odnawialnej

Potencjał grafenu dla systemów energii odnawialnej

Struktura grafenu [zdj .:UCL Mathematical and Physical Science, Flickr]

Na początku tego roku, pod koniec stycznia, uniwersytety w Manchesterze i Abu Zabi ogłosiły zamiar współpracy nad projektem produkcji pianki zawierającej grafen, materiał składający się z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w siatkę o strukturze plastra miodu, która jest 10 razy mocniejsza niż stal, ale 1000 razy lżejszy niż arkusz papieru na jednostkę powierzchni.

Grafen został po raz pierwszy odkryty w laboratorium na Uniwersytecie w Manchesterze w 2004 r. Po latach prób wytworzenia przez naukowców pojedynczej warstwy węgla i wielu teorii, obserwowanych przez mikroskop elektronowy w 1962 r. Profesorowie Andre Geim i Konstantin Novoselov zastosowali proces zwany „ technika taśmy klejącej ”, w której taśma klejąca była wielokrotnie używana do odrywania warstw grafenu z kawałka grafitu, aż pozostała tylko jedna warstwa atomów. To przyniosło dwóm naukowcom nagrodę Nobla w 2010 roku.

W niedalekiej przyszłości grafen mógłby potencjalnie zostać wykorzystany w komponentach elektrycznych i innych przedmiotach, takich jak czujniki, baterie, kompozyty, membrany jonowymienne i inne produkty. Zespół badawczy skoncentruje się na trzech projektach dotyczących grafenu i materiałów dwuwymiarowych, które można wykorzystać w szeregu zastosowań. W ramach jednego z projektów opracowana zostanie niedroga technika druku atramentowego do budowy mikrosensorów. Mogłyby one następnie zostać wykorzystane w sektorze energetycznym i do zastosowań wojskowych. W innym projekcie przyjrzymy się możliwościom wykorzystania grafenu w odsalaniu wody.

Profesor Brian Derby z Manchester University w rozmowie z The Engineer wyjaśnił, że zaletą stosowania grafenu w elektrodach akumulatorowych, aby przytoczyć tylko jeden przykład, jest to, że ma on bardzo dużą powierzchnię, a jednocześnie ma grubość tylko jednego atomu. Jednak aby materiał był użyteczny, warstwy o grubości atomu muszą być umieszczone w obiekcie 3D. Dlatego naukowcy będą próbowali wytworzyć piankę z grafenu, aby opracować sposoby pakowania materiału, tak aby można je było montować w przestrzeni, ale możliwie jak najbardziej utrzymywać swoją powierzchnię. Zespół ma również nadzieję na opracowanie kompozytów, w których płatki grafenu są rozproszone w matrycy polimerowej, tworząc w ten sposób mocny, ale nadal nadający się do obróbki kompozyt.

Badania nad grafenem na Uniwersytecie w Exeter w Wielkiej Brytanii [Zdjęcie:University of Exeter, Flickr]

W jaki sposób grafen może przynieść korzyści sektorowi energii odnawialnej?

W 2011 roku inżynierowie z Northwestern University odkryli, że anody grafenowe utrzymują energię lepiej niż grafit, umożliwiając tym samym dziesięciokrotnie lepsze ładowanie akumulatora, z potencjalnymi zastosowaniami, w tym w pojazdach elektrycznych (EV). W 2013 r. Naukowcy z Rice University w Teksasie przewidzieli, że grafen, z dodatkiem niektórych atomów boru, może zostać wykorzystany do produkcji ultracienkiej elastycznej anody do akumulatorów litowo-jonowych. Bor pomaga jonom litu przyklejać się do grafenu, pomagając w ten sposób zapewnić szybkie ładowanie, dlatego badania Uniwersytetu Rice zostały przeprowadzone we współpracy z firmą Honda, tylko jednym z wielu producentów pojazdów produkujących obecnie nowe modele pojazdów elektrycznych. Inne firmy, takie jak Kia i Hyundai, wykazały zainteresowanie materiałem, obie zgłosiły patenty na wykorzystanie grafenu w ogniwach paliwowych.

Naukowcy z Rice University odkryli również, że grafen zmieszany z tlenkiem wanadu można wykorzystać do opracowania wysokowydajnych, opłacalnych katod, które można ładować w ciągu 20 sekund i zachować ponad 90 procent swojej pojemności po intensywnym użytkowaniu. Grafen można również wykorzystać w superkondensatorach, a badacze z UCLA odkryli, że można go pokryć płytą DVD. Nagrywarka DVD może być następnie wykorzystana do wpisania milionów obwodów superkondensatorów w warstwie grafenu, która może zostać następnie zdjęta i użyta przez każdego, kto potrzebuje super zasilanej baterii. Naukowcy ze Szwecji odkryli również, że maghemit, rodzaj tlenku żelaza podobny do czerwonej rudy, może być dodawany do grafenu, powodując jego zwijanie się w nanoswój. Można ich następnie używać jako elektrod w akumulatorach litowo-jonowych.

Profesor Forsyth z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Elektronicznej Uniwersytetu w Manchesterze uważa, że ​​grafen może pomóc zwiększyć wydajność pojazdów elektrycznych poprzez zmniejszenie wagi akumulatorów, które obecnie mogą ważyć około 200 kilogramów. Pomogłoby to również zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych powyżej 100 kilometrów, przy czym niepokój o zasięg jest obecnie głównym czynnikiem opóźniającym ich wykorzystanie. Jednak zastosowanie grafenu w bateriach może również pobudzić sektor magazynowania energii, ponieważ sam Uniwersytet w Manchesterze przetestował na swoim kampusie akumulator w skali sieciowej i system konwertera.

Mercedes SLS AMG E-cell na Geneva Motor Show [Zdjęcie:Cedric Ramirez, Flickr]

Jeśli chodzi o fotowoltaikę słoneczną, grafen można wykorzystać do opracowania powłok przeciwodblaskowych do ogniw słonecznych, naukowcy z Indii odkryli, że materiał ten może zmniejszyć współczynnik odbicia w pobliżu ultrafioletowej części widma słonecznego z 35% do zaledwie 15%. Silvija Gradečak z Massachusetts Institute of Technology (MIT) również odkryła, że ​​grafen w ogniwach PV może zapewnić wyższą wydajność konwersji energii, podczas gdy inni badacze z Michigan Technological University odkryli, że grafen może zastąpić platynę w elektrodach ogniw słonecznych bez utraty wydajności.

ZOBACZ TAKŻE: 10 bardzo popularnych pojazdów elektrycznych (EV) i hybryd

Innym potencjalnym zastosowaniem tego materiału jest zastąpienie tlenku cyny indu (ITO) w ogniwach słonecznych. Jest to materiał rzadki i drogi. Obecnie jest używany do przezroczystych elektrod, ale jest również bardzo kruchy. Naukowcy z MIT mają nadzieję na opracowanie nowego ogniwa słonecznego wykonanego z grafenu i dwusiarczku molibdenu, w wyniku którego ogniwo słoneczne będzie cienkie i lekkie o 1000 razy większej wydajności niż konwencjonalne panele krzemowe.

W pojazdach elektrycznych z ogniwami paliwowymi (FCEV) grafen mógłby pomóc obniżyć koszt odnawialnego paliwa wodorowego, co z kolei oznaczałoby więcej stacji paliw wodorowych ze względu na niższe koszty przetwarzania. Naukowcy z Rice University wykazali, że grafen domieszkowany azotem i wzmocniony kobaltem jest skutecznym i trwałym katalizatorem do produkcji wodoru z wody, zastępując kosztowną platynę.

Jak dotąd zatem dwa główne zastosowania grafenu w zakresie energii odnawialnej wydają się być ogniwami słonecznymi i bateriami do pojazdów elektrycznych, chociaż całkowity rynek tego materiału jest obecnie wart ponad 9 milionów dolarów w przypadku półprzewodników, elektroniki, baterii i kompozytów.

Planowane nowe Centrum Innowacji Inżynierii Grafenu (GEIC) Uniwersytetu Manchester [Zdjęcie:Uniwersytet Manchester]

Wielka Brytania ściga się teraz z tym, Manchester University jest teraz na dobrej drodze do budowy drugiego specjalistycznego centrum badań grafenowych, które właśnie otrzymało pozwolenie na budowę 15.th Luty. Centrum Innowacji Inżynierii Grafenu (GEIC) skoncentruje się na kierowanym przez branżę opracowywaniu i stosowaniu produktów grafenowych, we współpracy z National Graphene Institute (NGI) i proponowanym Instytutem Zaawansowanych Badań Materiałowych im. Sir Henry'ego Royce'a w celu umożliwienia rozwoju grafenu od wstępne badania nad produktami końcowymi, dzięki czemu Manchester stał się wiodącym światowym ośrodkiem badań nad grafenem. Nacisk zostanie położony na ulepszenie obecnie istniejących materiałów i otwarcie nowych rynków dzięki finansowaniu GEIC, które w dużej mierze zapewnia firma Masdar z Abu Zabi zajmująca się energią odnawialną oraz Rada Funduszy Szkolnictwa Wyższego dla brytyjskiego brytyjskiego funduszu inwestycyjnego partnerstwa badawczego (UKRPIF). Centrum ma zostać ukończone do końca 2017 roku.


Obejrzyj wideo: Kierunek technologie energii odnawialnej - program studiów, praca, zarobki. (Październik 2021).