Представьте себе, что вы сможете заряжать батарею своего смартфона за секунды, а электромобиль - за минуты.
Такие соблазнительные перспективы предлагают исследователи, разработавшие новый материал, который способен намного улучшить параметры углеродных суперкондесаторов большой мощности. Эти конденсаторы способны очень быстро заряжаться и столь же быстро отдавать накопленную энергию.
Доктор Дональд Хайгейт, научный директор компании Superdielectrics Ltd, утверждает, что разработанный им в свое время материал для контактных линз оказался удивительно энергоемким полимером, способным удерживать мощный электростатический заряд.Конденсаторы не вырабатывают электричество за счет химической реакции, подобно обычным батареям; эти устройства накапливают энергию электростатического поля.
Доктор Хайгейт сотрудничает с университетами Бристоля и Саррея в разработке суперконденсаторов на основе нового полимера. Он надеется, что эти устройства смогут в конечном итоге конкурировать с литиево-ионными батареями.
Пока что конденсаторы используются в тех случаях, когда необходимо за короткое время получить мощный импульс электродвижущей силы - например, при запуске автомобильного двигателя. Они также хорошо приспособлены для использования в системах рекуперации энергии, когда, например, собирается энергия, выделяемая при торможении электромобиля.
Они также используются в системах энергоснабжения для быстрого выравнивания пиков энергопотребления.В Сеуле планируется к 2020 году ввести в строй 3500 автобусов, приводимых в движение суперконденсаторами. Такие автобусы уже сейчас используются в Шанхае.
Французская автомобильная компания Peugeot Citroen применяет суперконденсаторы в своих автомобилях с 2010 года; их производитель компания Maxwell Technologies утверждает, что ее устройства имеются в более чем миллионе автомобилей.
Однако пока что суперконденсаторы имеют меньшую плотность энергии, чем литиево-ионные батареи. Но есть у них и важные преимущества.
"Обычные суперконденсаторы отличаются в выгодную сторону от батарей тем, что они способны выдавать за короткое время гораздо большую электрическую мощность, а кроме того, срок их жизни и количество циклов зарядки-разрядки намного превышает эти показатели у батарей", - говорит Гарет Хиндс, сотрудник британской Национальной физической лаборатории.
"К недостаткам относится тот факт, что их стоимость пока относительно высока, а длительность рабочего цикла составляет несколько секунд или несколько минут в отдельных случаях".
Если такой суперконденсатор приводит в движение, например, инструмент в заводских условиях, скажем, шуруповерт, это не проблема, потому что его можно зарядить за несколько секунд.
Но вот в электромобиле это становится проблемой.
Таави Мадиберк, основатель и глава эстонской компании Skeleton Technologies, производящей суперконденсаторы в Эстонии, Германии и Финляндии, говорит, что в них применяются графеновые пленки и другие материалы на основе углерода.Такие графеновые пленки, состоящие из одного слоя молекул углерода с кристаллической решеткой, имеют огромную площадь поверхности. Всего один грамм графена может накрыть площадь в 2 тысячи квадратных метров. Это позволяет им накапливать намного больше энергии.
Продукция его компании уже применяется в конструкции гибридных автомобилей, особенно в автобусах и грузовиках. В ходе одного из экспериментов инженеры фирмы установили супероконденсаторы на дизель-электрическом грузовике, который развозит по домам продукцию одного из супермаркетов, и добились экономии топлива на 32%.
Но Таави Мадиберк признает, что в краткосрочном плане наилучшим решением было бы сочетание суперконденсаторов с литиевыми батареями, особенно в сфере электротранспорта.Улрик Грапе, глава компании NaWa, расположенной на юге Франции, согласен с этим.
"Суперконденсаторы не запасают такого количества энергии, как батареи, но зато они мгновенно отдают ее. Поэтому они очень хорошо подходят для ускорения и рекуперации, удваивая срок эксплуатации батареи".
"Компания NaWa изготавливает электроды, состоящие из вертикально расположенных графеновых нанотрубок, на поверхности которых накапливается заряд", - продолжает Грапе.
Такие трубки, которые покрыты другим полимером на основе углерода, настолько малы, что на квадратном сантиметре можно разместить 10 млрд трубок.
Так как углерод обладает малым весом, установка суперконденсаторов в литиевые батареи снизит их общий вес и улучшит дальность хода электромобиля.
Батарея гоночного автомобиля Формула Е, в настоящее время производимая фирмой Williams Advanced Engineering, весит 300 кг, но с помощью нанотрубок вес можно сократить до 200 кг без потери запаса хода.
"Мы считаем, что способность заряжать и разряжать батарею за секунды станет в будущем важнейшим показателем, - говорит Грапе. - В такой батарее будет не так много энергии, но зато она может выдерживать до миллиона циклов зарядки-разрядки. Углерод очень выносливый материал".Обычные литиевые батареи выдерживают всего 3-5 тысяч таких циклов, так как зависят от химической реакции между анодом и катодом.
Другим преимуществом суперконденсаторов является то, что для их изготовления не требуются редкие металлы, например, кобальт.
Разумеется, внедрение суперконденсаторов не приведет к исчезновению литиевых батарей, которые продолжают совершенствоваться и каждый год добавляют к емкости 5-10%.
Новые формы сохранения электроэнергии будут иметь жизненно важное значение для успеха энергетики на возобновляемых источниках. Известно, что ветряные и солнечные электростанции поставляют энергию не постоянно, и необходимы иные источники для выравнивания пиков и провалов в энергопотреблении.
Уже сейчас используются различные формы сохранения электроэнергии - насосные гидростанции, маховики, сжатый воздух, большие аккумуляторы. Однако высокоэффективные суперконденсаторы могут стать важнейшей составной частью систем энергоснабжения будущего.
Мы, однако, находимся только в начале пути.
"Суперконденсаторы на основе полимеров начинают появляться как многообещающая технология, - говорит Гарет Хиндс, - но предстоит еще много поработать над достижением необходимых параметров емкости, мощности и срока эксплуатации при снижении стоимости".
