Sementistä, hiilimustasta, elektrolyytistä ja vedestä syntyy monipuolinen uusi superkondensaattori

Materiaalitutkimus voi muuttaa merkittävästi energiateknologiaa. Elokuun 2023 alussa tutkijat pyrkivät toistamaan LK-99-materiaalia koskevia väitteitä suprajohtavuudesta huoneenlämmössä ja normaalipaineessa; kyse oli vielä vahvistamattomasta väitteestä. Samaan aikaan Massachusetts Institute of Technology (MIT) esitteli oman kiinnostavan tutkimustuloksensa: tavallisista ja edullisista materiaaleista valmistetun superkondensaattorin.

Mikä on kondensaattori?

Kondensaattori varastoi sähköenergiaa erottamalla vastakkaiset sähkövaraukset kahdelle johtavalle elektrodille. Tavallisessa kondensaattorissa elektrodien välissä on eriste eli dielektrinen aine, ja energia varastoituu sähkökenttään.

Mikä tekee kondensaattorista ”superin”?

Superkondensaattorin eli ultrakondensaattorin kapasitanssi on poikkeuksellisen suuri. Sähkökemiallinen kaksoiskerroskondensaattori on yksi superkondensaattorin tyyppi. Seuraavat ominaisuudet erottavat superkondensaattorit tavallisista kondensaattoreista:

• Varastointikapasiteetti: Superkondensaattori voi varastoida huomattavasti enemmän sähkövarausta kuin tavallinen kondensaattori. Kaksoiskerroskondensaattorissa elektrodien suuri sisäinen pinta-ala ja elektrodipinnan sekä elektrolyytin ionikerroksen hyvin pieni etäisyys mahdollistavat suuren kapasitanssin.
• Energia- ja tehotiheys: Kondensaattorit pystyvät yleensä luovuttamaan energiaa nopeasti, mutta varastoivat sitä vähemmän kuin akut. Superkondensaattorit sijoittuvat näiden väliin: niiden energiatiheys on tavallisia kondensaattoreita suurempi mutta yleensä akkuja pienempi, ja tehotiheys on korkea.
• Rakenne: Superkondensaattorien elektrodeissa käytetään usein huokoisia hiilimateriaaleja, joilla on suuri sisäinen pinta-ala. Elektrolyytti mahdollistaa ionien liikkumisen. Rakenne kasvattaa kapasitanssia ja siten varastoitavaa energiaa.
• Lataus- ja purkausnopeudet: Superkondensaattorit voidaan yleensä ladata ja purkaa akkuja nopeammin, ja ne kestävät suuren määrän lataussyklejä. Suuri kapasitanssi ei kuitenkaan yksin takaa pitkää varauksen säilymistä: myös itsepurkautuminen ja vuotovirta vaikuttavat siihen.

Tavalliset kondensaattorit ja kaksoiskerrossuperkondensaattorit varastoivat energiaa sähkövarausten erottamisen avulla. Superkondensaattorien erityispiirteitä ovat suuri kapasitanssi, erilaiset elektrodimateriaalit sekä kyky yhdistää nopea tehonanto tavallisia kondensaattoreita suurempaan energiavarastoon.

Missä superkondensaattoreita käytetään?

Superkondensaattorit soveltuvat erityisesti tilanteisiin, joissa tarvitaan nopeaa tehonantoa ja toistuvaa latausta. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi seuraavissa sovelluksissa:

• Sähköajoneuvot (EV:t): Ne voivat tuottaa kiihdytyksessä tarvittavia lyhyitä tehopulsseja ja kerätä energiaa talteen jarrutuksissa, mikä voi parantaa ajoneuvon energiatehokkuutta.
• Julkinen liikenne: Busseissa ja raitiovaunuissa energiaa voidaan varastoida nopeasti lyhyiden pysähdysten aikana ja käyttää sen jälkeen kiihdytykseen. Tämä voi tasata muun virransyötön kuormitusta.
• Uusiutuvan energian järjestelmät: Superkondensaattorit voivat tasata aurinko- ja tuulivoiman tuotannon nopeita vaihteluita. Tavallisten superkondensaattorien vahvuus on lyhytaikainen tehontasaus; pitkäkestoinen energiavarasto vaatii riittävän suuren kapasiteetin.
• Keskeytymätön virransyöttö (UPS): Superkondensaattorit voivat ylläpitää virransyöttöä lyhyen sähkökatkon ajan tai siihen saakka, kunnes varageneraattori käynnistyy.
• Kulutuselektroniikka: Niillä voidaan tukea laitteiden lyhyitä tehopulsseja ja esimerkiksi auton äänentoistojärjestelmän kuormitushuippuja. Kameran salamavalon energiavarastona käytetään myös tavallisia suurjännitekondensaattoreita; kaikki tällaiset pulssikäytöt eivät ole superkondensaattorisovelluksia.
• Lääketieteelliset laitteet: Superkondensaattoreita voidaan käyttää lääkinnällisten laitteiden virransyötön tukena. Defibrillaattorin suurjännitepulssin varastointiin käytetään tyypillisesti tähän suunniteltuja pulssikondensaattoreita, kuten kalvokondensaattoreita, eikä sitä pidä sellaisenaan rinnastaa superkondensaattorin käyttöön.
• Teollisuuslaitteet: Teollisuusympäristössä superkondensaattorit voivat tarjota lyhytaikaisesti tarvittavaa suurta tehoa erilaisissa koneissa ja työkaluissa.
• Verkon vakauttaminen: Ne voivat reagoida nopeasti kysynnän tai tuotannon muutoksiin ja auttaa tasaamaan sähköverkon vaihteluita.
• Langattomat viestintälaitteet: Ne voivat tuottaa lähetyksessä tarvittavia lyhyitä tehopulsseja esimerkiksi etäantureissa ja vaikeapääsyisissä kohteissa.
• Älyverkko- ja mikroverkkosovellukset: Ne voivat olla osa paikallista energianhallintaa, jossa tasapainotetaan kuormia ja varastoidaan energiaa tehokkaampaa käyttöä varten.
• Avaruus- ja puolustusteollisuus: Soveltuvissa avaruus- ja puolustusteollisuuden järjestelmissä ne voivat tukea kriittisten laitteiden virransyöttöä ja nopeaa tehontarvetta.

Monipuolisuus, korkea tehotiheys ja nopea lataus sekä purkaus tekevät superkondensaattoreista hyödyllisiä monilla aloilla. Luettelossa on sekä käytössä olevia että sovelluskohtaisesti mahdollisia käyttötapoja. MIT:n tutkimus on kiinnostava, koska se voi avata uuden tavan rakentaa suuria energiavarastoja tutuista materiaaleista.

Uusi resepti

MIT:n tutkijat kehittivät sementtipohjaisen elektrodimateriaalin, jonka suuri sisäinen pinta-ala syntyy lisäämällä seokseen hiilimustaa eli carbon black -hiilijauhetta. Kun materiaali kyllästetään elektrolyytillä, esimerkiksi kaliumkloridiliuoksella, ja kahdesta erottimella erotetusta elektrodista kootaan laite, saadaan superkondensaattori. Hiiltä tarvitaan suhteellisen vähän, ja lähtöaineet ovat edullisia sekä laajalti saatavilla.

Kapasitanssi riippuu olennaisesti johtavan elektrodimateriaalin sisäisestä pinta-alasta. MIT kuvasi ratkaisun ydintä näin:

”Tutkimusryhmän kehittämien superkondensaattorien avain on menetelmä, jolla sementtipohjaisen materiaalin sisään muodostuu tiheä, yhtenäinen johtava verkosto ja siten erittäin suuri sisäinen pinta-ala.”

Tutkimuksen etuna on, että se hyödyntää tavallisia, eri puolilla maailmaa saatavia materiaaleja. Tämä tarjoaa mahdollisuuden edulliseen ja laajennettavaan energian varastointiin.

Yksi tutkijoiden hahmottelema käyttökohde on talon perustuksiin yhdistetty energiavarasto, joka voisi tasata tuotannon ja kulutuksen vaihtelua. Ryhmä arvioi noin 45 kuutiometrin materiaalimäärän varastoivan noin 10 kilowattituntia, jota tutkimuksessa käytettiin esimerkkinä kotitalouden vuorokausikulutuksesta. Kyse oli laboratoriotuloksista johdetusta mittakaava-arviosta, ei valmiista talon perustuksesta. Energianvarastointiominaisuuksien ja lujuuden välillä on kompromissi, joten koostumus on sovitettava kantavan rakenteen vaatimuksiin. Varastoa voitaisiin käyttää sähkökatkoissa tai kulutushuippujen aikana.

Ratkaisu voisi tukea myös aurinko- tai tuulivoimaa käyttäviä koteja: ylituotannon aikana varastoa ladattaisiin ja tuotannon vähentyessä sitä purettaisiin. Muita tutkijoiden esittämiä mahdollisuuksia ovat sähköajoneuvojen langattomaan lataukseen yhdistetyt tiet sekä sähköverkon ulkopuolella sijaitsevien kotien ja rakennusten energianvarastointi.

Lopuksi

Sementtipohjainen superkondensaattori voi olla merkittävä, koska sementtiä käytetään rakentamisessa niin laajasti. Tutkimusryhmä kuvaa tavoitettaan näin:

”…huokoisten hiili-sementtikomposiittien materiaalisuunnittelu tarjoaa skaalautuvan ratkaisun energian varastointiin ja tukee kiireellistä siirtymää fossiilisista polttoaineista uusiutuvaan energiaan.”

Raaka-aineiden saatavuus ja mahdollisuus kasvattaa varaston kokoa tekevät ratkaisusta kiinnostavan niin pieniin kuin suuriin hankkeisiin. Käytännön toteutusten on kuitenkin osoitettava, että energiavarasto ja rakenteelliset ominaisuudet toimivat yhdessä suunnitellussa mittakaavassa.