Νέα

Ωστόσο, παρά τις δυνατότητές τους, οι υπερπυκνωτές, επί του παρόντος, έχουν ορισμένα μειονεκτήματα που εμποδίζουν τη διαδεδομένη χρήση τους. Ένα σημαντικό ζήτημα είναι ότι έχουν χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα - δηλαδή, αποθηκεύουν ανεπαρκή ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας του χώρου τους. Οι επιστήμονες επιχείρησαν αρχικά να λύσουν αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας οργανικούς διαλύτες ως τον ηλεκτρολύτη – το αγώγιμο μέσο -  στο εσωτερικό των υπερπυκνωτών για να αυξήσουν την παραγόμενη τάση (σημειώστε ότι το τετράγωνο της τάσης είναι ευθέως ανάλογο με την ενεργειακή πυκνότητα στις συσκευές αποθήκευσης ενέργειας). Αλλά οι οργανικοί διαλύτες είναι δαπανηροί και έχουν χαμηλή αγωγιμότητα. Έτσι, ίσως, ένας υδατικός ηλεκτρολύτης θα ήταν καλύτερος, σκέφτηκαν οι επιστήμονες. Οπότε, η ανάπτυξη εξαρτημάτων για υπερπυκνωτές που θα χρησιμοποιούσαν αποτελεσματικά υδατικούς ηλεκτρολύτες κατέστη κεντρικό θέμα έρευνας στον τομέα.

Στην προαναφερθείσα πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Scientific Reports, ο Dr. Kondo μαζί με μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Θετικών Επιστημών του Τόκιο και την εταιρία Daicel στην Ιαπωνία εξέτασαν τη δυνατότητα χρήσης ενός νέου υλικού, το νανοδιαμάντι εμπλουτισμένο με βόριο, ως ηλεκτρόδιο στους υπερπυκνωτές – ηλεκτρόδια είναι τα αγώγιμα υλικά σε μια μπαταρία ή έναν πυκνωτή που συνδέουν τον ηλεκτρολύτη με εξωτερικά καλώδια, για τη μεταφορά του ρεύματος από το σύστημα. Αυτή η επιλογή ηλεκτροδίων από την ερευνητική ομάδα βασίστηκε στη γνώση ότι τα διαμάντια στα οποία έχει προστεθεί βόριο έχουν ένα , ευρύ παράθυρο δυναμικού, ένα χαρακτηριστικό που επιτρέπει σε μια συσκευή αποθήκευσης υψηλής ενέργειας να παραμείνει σταθερή με την πάροδο του χρόνου. «Θεωρήσαμε ότι οι υπερπυκνωτές που παράγουν μεγάλη τάση με βάση το νερό θα μπορούσαν να είναι εφικτοί αν χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρόδιο ένα αγώγιμο διαμάντι»,  λέει ο Δρ. Kondo.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται μικροκυματική χημική εναπόθεση ατμού με υποβοήθηση πλάσματος - microwave plasma-assisted chemical vapor deposition ή MPCVD - για την κατασκευή αυτών των ηλεκτροδίων και εξέτασαν την απόδοσή τους ελέγχοντας τις ιδιότητές τους. Διαπίστωσαν ότι σε ένα βασικό σύστημα δύο ηλεκτροδίων με έναν υδατικό ηλεκτρολύτη θειικού οξέος, αυτά τα ηλεκτρόδια παρήγαγαν πολύ υψηλότερη τάση από τα συμβατικά ανάλογα, με αποτέλεσμα πολύ υψηλότερες πυκνότητες ενέργειας και ισχύος για τον υπερπυκνωτή. Επιπλέον, είδαν ότι ακόμα και μετά από 10.000 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, το ηλεκτρόδιο παρέμεινε πολύ σταθερό. Το εμπλουτισμένο με βόριο νάνοδιαμάντι είχε αποδείξει την αξία του.

Οπλισμένοι με αυτή την επιτυχία, οι επιστήμονες άδραξαν την ευκαιρία να διερευνήσουν εάν αυτό το υλικό ηλεκτροδίου θα είχε τα ίδια αποτελέσματα αν ο ηλεκτρολύτης άλλαζε σε κεκορεσμένο διάλυμα υπερχλωρικού νατρίου, το οποίο είναι γνωστό ότι επιτρέπει την παραγωγή υψηλότερης τάσης από ό, τι είναι δυνατό με συμβατικό ηλεκτρολύτη θειικού οξέος . Πράγματι, η ήδη υψηλή τάση που παράχθηκε επεκτάθηκε σημαντικά με αυτή τη ρύθμιση. Έτσι, όπως είπε ο Δρ Kondo, "τα ηλεκτρόδια νανοδιαμαντιού εμπλουτισμένου με βόριο είναι χρήσιμα για τους υδατικούς υπερπυκνωτές, οι οποίοι λειτουργούν ως συσκευές αποθήκευσης υψηλής ενέργειας κατάλληλες για φόρτιση και εκφόρτιση υψηλής ταχύτητας".

Φαίνεται λοιπόν ότι τα διαμάντια θα μπορούσαν να χαράξουν το δρόμο για την ηλεκτρονική και φυσική ζωή μας στο εγγύς μέλλον.

">

Η χρήση εργαλείων και συσκευών που λειτουργούν με μπαταρία αυξάνεται σταθερά, φέρνοντας μαζί τους την ανάγκη για ασφαλείς, αποδοτικές και υψηλής απόδοσης πηγές ενέργειας. Για το σκοπό αυτό, ένας τύπος συσκευής αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που ονομάζεται υπερπυκνωτής έχει αρχίσει πρόσφατα να θεωρείται εφικτός, ενίοτε και καλύτερος ως εναλλακτική λύση από τις συμβατικές και ευρέως χρησιμοποιούμενες συσκευές αποθήκευσης ενέργειας όπως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου. Οι υπερπυκνωτές μπορούν να φορτίζονται και να εκφορτίζονται πολύ πιο γρήγορα από τις συμβατικές μπαταρίες και επίσης να συνεχίζουν να το κάνουν για  πολύ περισσότερο. Αυτό τους καθιστά κατάλληλους για μια σειρά εφαρμογών, όπως φρενάρισμα με ανάκτηση ενέργειας σε οχήματα, φορητές ηλεκτρονικές συσκευές κ.ο.κ. "Εάν μπορεί να δημιουργηθεί ένας υπερπυκνωτής υψηλής απόδοσης που χρησιμοποιεί ένα μη εύφλεκτο, μη τοξικό και ασφαλή ηλεκτρολύτη υδατικού διαλύματος, μπορεί να ενσωματωθεί σε φορητές και άλλου  είδους συσκευές, συμβάλλοντας σε μια αλματώδη ανάπτυξη στο Διαδίκτυο των πραγμάτων - Internet of things", δήλωσε ο Δρ Takeshi Ο Kondo, ο οποίος είναι ο επικεφαλής επιστήμονας σε μια πρόςφατη σημαντική έρευνα στον τομέα.

Ωστόσο, παρά τις δυνατότητές τους, οι υπερπυκνωτές, επί του παρόντος, έχουν ορισμένα μειονεκτήματα που εμποδίζουν τη διαδεδομένη χρήση τους. Ένα σημαντικό ζήτημα είναι ότι έχουν χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα - δηλαδή, αποθηκεύουν ανεπαρκή ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας του χώρου τους. Οι επιστήμονες επιχείρησαν αρχικά να λύσουν αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας οργανικούς διαλύτες ως τον ηλεκτρολύτη – το αγώγιμο μέσο -  στο εσωτερικό των υπερπυκνωτών για να αυξήσουν την παραγόμενη τάση (σημειώστε ότι το τετράγωνο της τάσης είναι ευθέως ανάλογο με την ενεργειακή πυκνότητα στις συσκευές αποθήκευσης ενέργειας). Αλλά οι οργανικοί διαλύτες είναι δαπανηροί και έχουν χαμηλή αγωγιμότητα. Έτσι, ίσως, ένας υδατικός ηλεκτρολύτης θα ήταν καλύτερος, σκέφτηκαν οι επιστήμονες. Οπότε, η ανάπτυξη εξαρτημάτων για υπερπυκνωτές που θα χρησιμοποιούσαν αποτελεσματικά υδατικούς ηλεκτρολύτες κατέστη κεντρικό θέμα έρευνας στον τομέα.

Στην προαναφερθείσα πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Scientific Reports, ο Dr. Kondo μαζί με μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Θετικών Επιστημών του Τόκιο και την εταιρία Daicel στην Ιαπωνία εξέτασαν τη δυνατότητα χρήσης ενός νέου υλικού, το νανοδιαμάντι εμπλουτισμένο με βόριο, ως ηλεκτρόδιο στους υπερπυκνωτές – ηλεκτρόδια είναι τα αγώγιμα υλικά σε μια μπαταρία ή έναν πυκνωτή που συνδέουν τον ηλεκτρολύτη με εξωτερικά καλώδια, για τη μεταφορά του ρεύματος από το σύστημα. Αυτή η επιλογή ηλεκτροδίων από την ερευνητική ομάδα βασίστηκε στη γνώση ότι τα διαμάντια στα οποία έχει προστεθεί βόριο έχουν ένα , ευρύ παράθυρο δυναμικού, ένα χαρακτηριστικό που επιτρέπει σε μια συσκευή αποθήκευσης υψηλής ενέργειας να παραμείνει σταθερή με την πάροδο του χρόνου. «Θεωρήσαμε ότι οι υπερπυκνωτές που παράγουν μεγάλη τάση με βάση το νερό θα μπορούσαν να είναι εφικτοί αν χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρόδιο ένα αγώγιμο διαμάντι»,  λέει ο Δρ. Kondo.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται μικροκυματική χημική εναπόθεση ατμού με υποβοήθηση πλάσματος - microwave plasma-assisted chemical vapor deposition ή MPCVD - για την κατασκευή αυτών των ηλεκτροδίων και εξέτασαν την απόδοσή τους ελέγχοντας τις ιδιότητές τους. Διαπίστωσαν ότι σε ένα βασικό σύστημα δύο ηλεκτροδίων με έναν υδατικό ηλεκτρολύτη θειικού οξέος, αυτά τα ηλεκτρόδια παρήγαγαν πολύ υψηλότερη τάση από τα συμβατικά ανάλογα, με αποτέλεσμα πολύ υψηλότερες πυκνότητες ενέργειας και ισχύος για τον υπερπυκνωτή. Επιπλέον, είδαν ότι ακόμα και μετά από 10.000 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, το ηλεκτρόδιο παρέμεινε πολύ σταθερό. Το εμπλουτισμένο με βόριο νάνοδιαμάντι είχε αποδείξει την αξία του.

Οπλισμένοι με αυτή την επιτυχία, οι επιστήμονες άδραξαν την ευκαιρία να διερευνήσουν εάν αυτό το υλικό ηλεκτροδίου θα είχε τα ίδια αποτελέσματα αν ο ηλεκτρολύτης άλλαζε σε κεκορεσμένο διάλυμα υπερχλωρικού νατρίου, το οποίο είναι γνωστό ότι επιτρέπει την παραγωγή υψηλότερης τάσης από ό, τι είναι δυνατό με συμβατικό ηλεκτρολύτη θειικού οξέος . Πράγματι, η ήδη υψηλή τάση που παράχθηκε επεκτάθηκε σημαντικά με αυτή τη ρύθμιση. Έτσι, όπως είπε ο Δρ Kondo, "τα ηλεκτρόδια νανοδιαμαντιού εμπλουτισμένου με βόριο είναι χρήσιμα για τους υδατικούς υπερπυκνωτές, οι οποίοι λειτουργούν ως συσκευές αποθήκευσης υψηλής ενέργειας κατάλληλες για φόρτιση και εκφόρτιση υψηλής ταχύτητας".

Φαίνεται λοιπόν ότι τα διαμάντια θα μπορούσαν να χαράξουν το δρόμο για την ηλεκτρονική και φυσική ζωή μας στο εγγύς μέλλον.