Grafeen ingezet in ultracondensators

Grafeen blijkt een geschikt materiaal te zijn om ingezet te worden bij de productie van ultracondensators. Door het grote oppervlak zou het koolstofmateriaal meer lading vast kunnen houden dan alternatieven.

Onderzoekers van de Texas-universiteit in Austin hebben een laagje grafeen van één atoom dik gebruikt om een zogenoemde ultracondensator te construeren. Met de dunne koolstoflaag zouden condensators gebouwd kunnen worden die twee maal zoveel lading kunnen bevatten dan huidige ultracondensators. Voor dergelijke capaciteiten bereikt worden, moet nog meer onderzoek gedaan worden, maar de groep van scheikundige Rod Ruoff evenaart momenteel al de huidige ultracondensators. Chemisch gemodificeerd grafeen, of cmg, haalde een elektrische capaciteit van 135 farad per gram in waterige elektrolyten en 99 farad per gram met organische elektrolyten.

Het elektrisch geleidend grafeen, een vorm van koolstof, heeft een extreem groot oppervlak vergeleken met zijn gewicht. Het oppervlak per gram grafeen bedraagt 2630 vierkante meter, waardoor meer geladen deeltjes van het elektrolyt een laagje op het grafeen kunnen vormen. Hoe meer geladen deeltjes zich kunnen binden, hoe groter de opgeslagen energie in de condensator. Ultracondensators worden gebruikt om energie op te slaan en naar behoefte weer af te geven: vergelijkbaar met oplaadbare batterijen. De condensators bieden echter meer capaciteit en zijn robuuster dan batterijen, wat redenen zijn om ze onder meer in combinatie met brandstofcellen in te zetten. Ook groene projecten die van windmolens en zonnepanelen gebruikmaken, zouden profiteren van de opslag die ultracondensators bieden om bijvoorbeeld windstille of donkere periodes te overbruggen.

Reacties (31)

[Verwijderd]

"Ultracondensators worden gebruikt om energie op te slaan en naar behoefte weer af te geven: vergelijkbaar met oplaadbare batterijen. De condensators bieden echter meer capaciteit "

No way dat ik dit geloof, condensatoren ontladen ook geheel anders als een batterij toch?

Er bestaan gewoon geen condensatoren met een hogere capaciteit als een dagelijkse batterij... Als je een condensator zou gebruiken met zown capaciteit op gewicht. Zou de levensduur meer als 100 jaar zijn voor zo'n batterij...

Klinkt te mooi...

[Leftblank]

Het grote verschil tussen een batterij en 'n condensator is dat de eerste een beperkte levensduur heeft en werkt dmv. een chemische reactie, terwijl de tweede in principe 'oneindig' lang blijft werken. Daarnaast levert een batterij een redelijk constante stroom terwijl een condensator met een flinke piek begint om vervolgens snel te dalen tot een lagere waarde.
Er zijn op dit moment ook al (zonder twijfel) condenstoren met een hogere capaciteitswaarde dan batterijen, met als nadeel dat ze duur zijn en vrij snel ontladen, terwijl ze ook (even) snel weer opgeladen kunnen worden.

offtopic:
Meer dan en er heeft nog nooit een w in zo'n gezeten .

[Reactie gewijzigd door Leftblank op 25 juli 2024 06:30]

[Belboer]

Het is niet zozeer de stroom die bij een batterij constant blijft maar de spanning. Deze blijft bijna de hele ontlaad cyclus in de buurt van de nominale spanning en neemt aan het einde langzaam af. Hoeveel stroom er geleverd moet worden is daarbij niet erg van invloed zolang je binnen de specificaties van de batterij blijft.
Bij een condensator neemt de spanning lineair af als er een constante stroom geleverd wordt. Als ie voor de helft leeg is levert ie ook nog maar de halve spanning.

[edit] Voor de mensen die geen natuurkunde hebben gehad of die lessen zo snel mogelijk zijn vergeten: stroom is in ampere en spanning in volt.

[Reactie gewijzigd door Belboer op 25 juli 2024 06:30]

[knirfie244]

Volgens mij ben jij het ook best snel vergeten, want een condensator heeft geen lineaire laad/ontlaad curve, maar een e-macht. Als een condensator voor de helft leeg is zit deze al ruim onder de halve spanning.

Oh wacht, bij constante stroom, ik moet beter lezen. Dan kan het wel eens kloppen ja. Maar in hoeveel situaties heb je nou een constante stroom?

[Reactie gewijzigd door knirfie244 op 25 juli 2024 06:30]

[Luno]

Als ik zou moeten wedden dan zet ik m'n geld toch op belboer.

Let wel: hij/zij heeft het over constante stroom. Niet over een condensator die via een constante weerstand ontladen wordt.

[Verwijderd]

Ik ben geen natuurkundige, dus waarschijnlijk is dit onzin:

Zou het niet mogelijk zijn om met een soort dynamisch weerstand(als dat al bestaat??) stroom en spanning over de rest van het circuit gelijk te houden tijdens het onladen van de condensator. Dus als de condensator nog vol zit een hoge weerstand maar naargelang deze ontlaadt (en de spanning dus daalt) de weerstand blijven verlagen zodat de stroom en spanning over het circuit altijd gelijk blijft??

[DuDePrOdUcTiOnS]

Gewoon een DC-DC convertertje gebruiken die de spanning zo lang mogelijk op dezelfde waarde vasthoudt..

Als je weerstanden gaat gebruiken gooi je zomaar energie weg, dat wil je niet want daarmee doe je de extra capaciteit van je condensator teniet..

[Verwijderd]

dat klinkt idd nog beter, ik wist niet dat er veel energie verloren gaat door het gebruik van een weerstand. Dan blijft mijn vraag of (en zo niet waarom niet) zo'n converter voor dit doel gebruikt als de capaciteit van een condensator(en oplaadtijd) beter zijn dan een conventionele accu?

[knirfie244]

oneindig lang? Ligt helemaal aan het type condensator, electrolytische types staan nou niet bekend om hun oneindige levensduur. Het zijn zelfs de componenten die vaak als eerste de geest geven in een apparaat. Vooral onder hogere temperaturen neemt de levensduur flink af.

En uit het bericht lijkt mij toch echt dat het een op een electrolytisch principe gebaseerde condensator is.

[.oisyn]

Het idee is volgens mij ook meer dat een condensator supersnel kan op- en ontladen, itt een batterij. Condensatoren zijn nooit goede batterijen geweest (vooral omdat bij een stroombron zoals een batterij een veel constantere stroom wordt verwacht, en niet vrijwel alles in een keer).

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 25 juli 2024 06:30]

[knirfie244]

Opladen is afhankelijk van de capaciteit en de weerstand van het oplaadcircuit, oftwel de RC tijd. Grotere capaciteit is dus aan langere laad en ontlaadtijd.

@Texamicz - 135F(arad) per gram, dus laten gewoon ff uitgaan van een "één grams condensator" van 6,3 volt (gezien er geen spanning vermeld wordt). Dat zou neerkomen op een 810 coulomb, oftewel een "batterij capaciteit" van 225mAh bij 6 Volt. Dat is qua totale vermogen vergelijkbaar met een 3.6V LiIon accu van 375mAh.

En dan hebben we het pas over een condensator van 1 gram, geschikt voor een relatief lage spanning. Er zijn vast wel grotere condensators te maken dan 1 gram aan electrolyt, of met een hogere spanning dan 6.3 volt. De capaceit kan dus makkelijk ver boven dat van een Li-Ion accu uitkomen. (mits ik alles goed berekend heb)

edit: @ssj3gohan - Wat betrefd die spanning heb je misschien gelijk, ik ben zelf niet bekend met ultracaps (wel supercaps, waar 6 volt gewoon mogelijk is). Als die spanning klopt, dan komt het inderdaad een factor 4 lager uit. Maar conventionele (standaard kwaliteit) Li-Ion accu's halen trouwens volgens mij niet meer dan een 150Wh/kg.

En capaciteit is de veelgebruikte uitdrukking voor de aantal (m)Ah van een batterij/accu, hoewel technisch gezien dit natuurlijk niet correct is. Capaciteit behoort officieel alleen toe aan condensatoren (oftewel het aantal farad), wat natuurlijk geen Ah is.

[Reactie gewijzigd door knirfie244 op 25 juli 2024 06:30]

[mux]

Ik denk niet dat die spanning realistisch is. De spanning gaat exponentieel omlaag met ladingsdichtheid, dus de spanning zal nog lager zijn dan de 2.7V die nu wordt gehaald met 3000F ultracaps (momenteel de op-twee-na-hoogste dichtheid). Reken op iets van 1 à 1.5V.

Ik weet alleen niet precies wat met capaciteit wordt gebruikt. Als je het over energie hebt dan komt het niet eens in de buurt, waar je met li-ion minstens 200 Wh/kg kunt krijgen (dat is dus 720 kJ/kg) haal je met zo'n cap .5*C*V^2=.5*135*2.25*1000~150 kJ/kg. Het zit zeker in dezelfde orde van grootte, maar nog niet over huidige relatief lage capaciteit li-ions.

Misschien dat het diëlectricum beter kan waardoor hogere spanningen mogelijk zijn, dan is het misschien mogelijk om het gewicht niet heel erg te beinvloeden maar wel de capaciteit omhoog te jassen.

[danielsrje]

Ok, even praktisch dan:
Heb pas een 230 Ah 12V semi-tractie accu gekocht (maatje: niet te tillen). Hoeveel zou zoiets wegen in Grafeen?
(buiten dat je voor de prijs waarschijnlijk de komende 500 jaar accu's kunt kopen...)

[GENETX]

"Vergelijkbaar"

Oftewel, kan net als een batterij opladen en ontladen. Echter werkt een condensator idd anders. Het is meer een stuk informatie voor mensen die geen idee hebben wat een condensator is.

[Rob Coops]

Het lijkt te goed om waar te zijn... ik hoop dat dat dan weer niet waar is natuurlijk
De enige vraag is hoe veel kost het om grafeen op deze manier te behandelen zo dat het zo een enorm opervlak heeft.

Even voor de duidelijkheid CMG is dus de uitvinding zie bron: linkje

Als dit goedje te maken is zonder de kosten van een capacitor heel erg sterk te verhogen dan is dat natuurlijk geweldig maar als dit de kosten verdubeld of zelfs nog duurder is dan kun je natuurlijk net zo goed twee goedkopere versies kopen en die gebruiken om aan je opslag behoefte te voldoen.

[DiLDoG]

Bij een hoop toepassingen (Telefoons, Pda's maar bijv ook Micro ATX mobo's) zijn de afmetingen wel een erg belangrijke factor. Grotere kans dat de hogere kosten daar wel opwegen tegen de kleinere afmetingen.

[digdas]

Ik heb even gekeken naar specs van een elco (elektrolytisch condensator) Voor een willekeurige (grote)
Daar geven ze max stroom 50 ampere aan. Kun je (eventjes) mee lassen!
Het is inderdaad wel afhankelijk van de interne weerstand.

Voor die niet zo met elektronica bekend zijn, ik vergelijk het meestal met water...
Stroom = water die door een leiding gaat
Voltage = hoogteverschil in water
Een condensator kun je zien als een emmer. Die loopt vol als de stroom er in loopt, leeg als de stroom er uit gaat.
Je ziet ook het voltage (waterniveau) omlaag gaan als er stroom uit loopt...

[incinerator82]

iets betere uitleg, na mijn mening
stroom = de druk van de waterleiding.
voltage = hoeveelheid liters per minuut

condensator = ballon met water, immers het water komt er ook met een "druk" uit, dat heb je niet bij een emmer, tenzij je deze erg hoog ophangt (neerwaartse druk).

Wat ik mij afvraag als men 1 Farad kwijt kan en daar 1000v voor nodig heeft om die lading te verkrijgen. Hoe gaat men dit oplossen!?

@belboer

Idd je hebt gelijk (even de definitie van C opgezocht).
Q = I*t
waarin geldt:
* Q is de lading in C
* I is de stroomsterkte in A (druk v.h. water)
* t is de tijd in s
Mijn definitie is verkeerd om, dat blijkt

Maar over de emmer... Immers heeft een condensator een interne weerstand.
Een emmer heeft dit weer niet... Een ballon daarin tegen wel.
De weerstand word verhoogt als men de druk opvoert.

R = U x I
Waarin :
* R de weerstand in Ohm
* U de voltage
* I de stroom

http://nl.wikipedia.org/wiki/Coulomb_(eenheid)

[Reactie gewijzigd door incinerator82 op 25 juli 2024 06:30]

[klaasvaag]

Vind ik die van digdas toch beter. Tenzij je je definitie van stroom / spanning omdraait. Dus:

Spanning (voltage) = druk van de waterleiding
Stroom = liters per minuut

[miw]

Er zijn een groot aantal fysische processen die door hetzelfde soort differentiaalvergelijkingen beschreven worden. Daardoor zijn dit soort equivalenties te maken. Mechanische beweging, acoustiek, waterstromingen en electrische schakelingen zijn allemaal equivalent. Tijdens de ontdekking van electriciteit werdem schakelingen vaak vergeleken met equivalente processen uit de mechanica.

Het verschil tussen accu's en ultra caps begint nu wel erg klein te worden. Het gebruik van deze vinding voor een grootschalige energieopslag ligt nog erg ver in de toekomst.

[Belboer]

Tis precies andersom:

Stroom = hoeveelheid liters per minuut. Ofwel hoeveel water er stroomt. Bij elektronica is het de hoeveelheid lading (in Coulomb) die er per seconde vervoert wordt.
Spanning = druk op de waterleiding.

In een emmer neemt de druk op de bodem van de emmer toe met de hoeveelheid water die er in zit en dat is inderdaad te vergelijken met een condensator. Je moet hem alleen wel vullen en legen via een gaatje in de bodem en de emmer gewoon laten staan. Een batterij kan je vergelijken met het waterleidingbedrijf. Het water wordt daar met een constante druk geleverd.

Als antwoord op de edit van incinerator82:

De interne weerstand van een condensator is een niet ideale eigenschap. Een ideale condensator heeft die niet en het is niet handig om deze bij de uitleg van de werking mee te nemen. Bij het vergelijken met een emmer is de interne weerstand de wrijving die het water ondervindt als het door het gaatje in de boden naar binnen of buiten stroomt en verliezen die optreden door kleine lekkages in de emmer.
Bij een gevulde emmer stroomt het water overigens ook met kracht uit een gaatje in de bodem. Als het een emmer is van dertig meter hoog zelfs met meer kracht dan uit de kraan.

U=IxR mag je alleen voor ohmse weerstanden gebruiken (de wet van Ohm). Een condensator is geen ohmse weerstand en hiervoor geldt U=CxQ waarbij Q weer de lading is en C de capaciteit van de condensator.

Wat betreft de vraag hoe je een Farad "kwijt kan" denk ik dat je op het verkeerde spoor zit. De capaciteit in Farad geeft aan hoeveel coulomb aan lading je toe moet voegen voor dat de spanning over condensator met een volt stijgt. Samen met de maximale spanning die een condensator kan hebben bepaalt dat dus hoeveel lading je er maximaal in kan stoppen.
Zie het als de oppervlakte van de bodem van de emmer. Als die groot is moet je veel water toevoegen voor dat de druk veroorzaakt door het hoogte verschil van het water met een bar is gestegen. De maximale spanning is de hoogte van je emmer. Die twee samen bepalen hoeveel water er in past.

PS: Overigens is de water analogie aardig om basis dingen over elektronica uit te leggen maar loopt het vrij snel mank. Zo zou ik niet weten hoe je het skin effect er mee kan uitleggen.

[Reactie gewijzigd door Belboer op 25 juli 2024 06:30]

[boner]

MIT heeft toch al een tijdje grafeen, of eigenlijk meer nanotubes als basis voor de SuperCaps technologie gebruikt. Is dit heel erg verschillend tov dat idee?

[High-Voltage2]

Ik vraag me toch af welke stromen zo een condensator aankan. Als ie maar 1A aankan duurt het een hele tijd alvorens ie geladen/ontladen is. Ook niet ideaal als buffer omdat je daar juist flinke stroompieken met kunnen leveren.

[mux]

Typisch enkele tot tientallen kA, dus duizenden ampères. Hangt eigenlijk alleen maar af van de ESR oftewel Equivalent Series Resistance (interne weerstand).

[High-Voltage2]

En waarom kan een gewone elco dan maar een paar amperes aan? Wat maakt deze zo verschillend? Als je nu zegt honderd ampere ipv een tiental ampere ok, maar ineens duizend, dat is wel duizelwenkend!

[Dutch_Razor]

Hoeveel spanning zou zo'n condensator kunnen verdragen? Dit omdat traditionele high voltage condensatoren van bijvoorbeeld 400V vaak maar een 2000 microfarad oid aankunnen. (en die zijn al laaiend duur)