Grafeen kan opslagcapaciteit condensators vervijfvoudigen

Onderzoekers van een Amerikaans bedrijf hebben een methode ontwikkeld waarmee ultracondensators kunnen worden geproduceerd. De ladingdragers zouden een hogere capaciteit kunnen krijgen dan de nu verkrijgbare exemplaren.

Ultracondensators beloven in de nabije toekomst een alternatief te vormen voor accu's. Vooral hun korte laadtijd en vermogen om de opgeslagen lading snel vrij te geven maakt hen onder meer geschikt als accu voor elektrische auto's. De hoeveelheid lading die kan worden opgeslagen is echter laag vergeleken met conventionele lithium-ion-accu's. Met een vergelijkbaar volume zouden commercieel verkrijgbare ultracondensators slechts vijf procent van een normale acculading kunnen leveren.

Onderzoekers van het bedrijf Nanotek Instruments hebben echter elektrodes ontwikkeld die de energiedichtheid van ultracondensators zouden kunnen vervijfvoudigen. De elektrodes worden van grafeen gemaakt, waardoor hun oppervlak drastisch kan worden vergroot. In theorie zouden de elektrodes die het bedrijf ontwikkelde 85,6 wattuur per kilogram kunnen opslaan, maar in de praktijk zou dat ongeveer 28 wattuur bedragen. Ter vergelijking: nu verkrijgbare ultracondensators kunnen ongeveer 5 tot 10 wattuur leveren, terwijl nikkel-metaalhydride- en lithium-ion-accu's respectievelijk 40 tot 100 en meer dan 120 wattuur per kilo kunnen opslaan.

Reguliere accu's zouden echter in de regel slechts 20 tot 50 procent van hun capaciteit benutten, waardoor een ultracondensator met een energiecapaciteit van 20 procent van een accu daar opeens mee kan concurreren. De korte laadtijden en hun langere levensduur zouden bovendien de positie van ultracondensators verbeteren. De onderzoekers werken aan manieren om de elektrodes verder te verbeteren. De huidige prototypes verliezen na 500 cycli ongeveer tien procent van hun laadcapaciteit. Toekomstige versies van elektrodes moeten dat beter doen.

Reacties (35)

[mux]

Hier moeten nog een paar kanttekeningen bij worden gemaakt. Allereerst volumetrische capaciteit; momenteel krijgen ultracondensatoren ook slechts zo'n 4-5Wh/L voor elkaar, en deze condensatoren doen het lang niet zoveel beter op dat punt dan ze hun gravimetrische (Wh/kg) capaciteit verhogen.

Een typische full-electric auto heeft een batterij van ten minste 30kWh nodig, en zo'n batterij zou met de huidige ultracondensatoren 5-6 kubieke meters innemen. Zelfs deze verbeterde technologie zit nog meer dan een orde van grootte verwijderd van de volumetrische capaciteit van batterijen.

En batterijen en brandstofcellen zitten ook niet stil; de vooruitgang in batterijen, brandstofcellen en ultracondensatoren lijkt zelfs nagenoeg gelijk op te gaan de laatste jaren. Er is echt een strijd aan de gang.

Wat er in dit artikel niet staat maar wel de grootste beweging in de industrie is, is een combinatie van ultracondensatoren en batterijen. Sterker nog, meerdere bedrijven bieden dit al aan of hebben dit soort producten aangekondigd. Door snelladende batterijen te combineren met een (ingebouwde) ultracondensator verlaag je de volumetrische en gravimetrische capaciteit maar een klein beetje, maar kan het wel veel meer piekvermogen leveren en sneller laden. In plaats van een concurrentiestrijd lijkt het er dus op dat er ook een integratiestrijd komt; batterijen+ultracondensatoren aan de ene kant versus brandstofcellen aan de andere kant. Wie wint?

[Nullius]

Net wat ik nog even wilde vermelden.
Nu zoekt (naast de vergroting van capaciteit) men meer en meer naar de ideale combinatie van accu's die snel hun lading kwijt kunnen en diegene die een hogere capaciteit bezitten.

Neem het voorbeeld van de auto:
Bij het versnellen vraagt men meer energie en dit kan dan geleverd worden door de ultracondensators.
Bij het rijden aan constante snelheid (autosnelweg bv) kunnen dan de accu's met hoge capaciteit gebruikt worden.

Andersom werkt het even goed.
Bij het afremmen kan enorm veel energie gewonnen worden. Deze energie kan snel worden opgeslaan in de condensators, die op hun beurt geleidelijk een deel van hun energie kwijtkunnen aan de accu's met hoge capaciteit.

Al bij al blijft de zoektocht naar een hogere capaciteit bestaan in beide vormen accu's.Dat is momenteel het grote pijnpunt van vele elektrische apparaten, gaande van smartphones tot elektrisch aangedreven voertuigen.

[TERW_DAN]

Zou dit ook bruikbaar zijn voor condensatoren die je nu vind in allerhande electronica zoals op bijvoorbeeld moederborden? Als die nog eens 5 keer zo klein kunnen worden dan zou je ze onderhand als SMDcomponenten op borden kunnen zetten, waardoor hardware nog stukken compacter zou kunnen worden.

[Sphere-]

Ik denk het niet (in de nabije toekomst).
Gewone elektrolytische condensatoren zijn allang verkrijgbaar in SMD formaat, elke grafische kaart heeft er een paar bijvoorbeeld. Verder groeit de capaciteit van bijvoorbeeld keramische condensatoren ook en is bijvoorbeeld 10 microfarad al te krijgen in een SMD 0603 package (1.6 mm × 0.8 mm). Het is vaak in kleine elektronica niet nodig om erg hoge capaciteiten te gebruiken.

En jwvirtual heeft natuurlijk ook een punt.

De huidige condensators die gebruikt worden voor auto toepassingen zijn vast een soort Gold Caps. Deze kunnen meer lading opslaan dan normale electrolytische condensatoren maar hebben een lagere maximale spanning. En deze zijn dus niet verkrijgbaar in kleine formaten. Verder is het onduidelijk of de caps die grafeen gebruiken wel tegen hogere spanningen kunnen.

[Reactie gewijzigd door Sphere- op 22 juli 2024 14:00]

[Rob Coops]

Ik denk dat er nog een heel belangrijk punt mist in de anders goede onderbouwing waarom niet...

En dat is de prijs, een ultra condensator zal niet ultra goedkoop zijn om het maar even heel simpel te zeggen. Elco's worden al tientallen jaren gemaakt en zijn wat dat betreft zo veer door ontwikkeld dat er weinig ruimte meer is om de prijs verder to doen dalen.
Maar de ultra condensator is nog maar net nieuw en zal dus nog aardig wat vet aan de randjes hebben hangen waar met voldoende vraag en dus voldoende concurrentie nog flink in gesneden kan worden.
Ga er maar van uit dat tegen de tijd dat dat eenmaal gebeurt is en er dus voldoende reden is om te proberen nieuwe afzet markten te vinden dat deze dingen ook geschikt zullen worden gemaakt voor de gemiddelde elektronische apparaten. Maar voorlopig zul je ze voor namelijk in specialistische apparatuur tegen komen waar de prijs ondergeschikt is aan de functionaliteit die ze bieden.

[Verwijderd]

Die elco's moeten vele miljoenen cycli aankunnen. Daar zitten ze met de kwaliteit van hun elektrodes nu dus nog wel heel erg ver vandaan.

[Barend]

Ter vergelijking: benzine zit rond de 13 kilowattuur per kilogram. (wikipedia)

Dit verklaart gelijk waarom het zo moeilijk is om van fossiele brandstoffen af te komen.

[Verwijderd]

http://www.post1.net/lowe..._batteries_100_mile_range

Het volume voor de energieopslag zal zoals aangehaald niet veel verschillen tussen de lithium-batterijen en condensatoren en het moet dus in principe mogelijk zijn om bovenstaande auto te fabriceren met de condensatoren zonder verlies aan bereik of ruimte.

Neem daarbij dat ze sneller te herladen zijn en efficiënter zijn (ja die efficiëntie zit hem ook in de hoeveelheid die je erin moet steken voor zover ik het begrijp) en je hebt een beter alternatief dan de lithium batterijen qua gebruikskosten (als in elektriciteit en tijd).

Tevens verliezen ze slechts 10% na 500 oplaadbeurten, de prototypes weliswaar... Kijk eens hoeveel km je dan hebt afgereden! En je moet ze dan nota bene nog niet eens vervangen

Als je dan gaat kijken hoeveel je moet betalen met batterijen/condensatoren of benzine kom je sowieso op een verschil van €10 of meer voor 160km.

Gaan die condensatoren/batterijen dan maar 500 beurten mee (om echt pessimistisch te zijn) dan nog zal je zeker een paar duizend euro uitsparen aan benzine en een paar honderd aan elektriciteit ivm lithium.

Ja tenzij de kostprijs boven de 10K ligt of de condensatoren enorm bergaf gaan na die 500 beurten zal het sowieso goedkoper uitkomen dan een auto op benzine. Als de kostprijs niet te veel verschilt met lithium zal het ook profitabel zijn.

In deze vergelijking elektrisch<->benzine zit dan nog niet eens de kostprijs van de andere onderdelen verrekend (ik neem hier aan dat de motor en toebehoren in een benzineauto duurder zijn dan de elektromotor.

Conclusie: Als de condensatoren kunnen concurreren qua prijs aan lithium-batterijen zal dit alternatief het uiteindelijk halen, als de condensatoren niet te veel kosten zijn ze in ieder geval beter dan een benzineauto.

[Tazzios]

Kanttekening is wel dat je niet alle energie (wattuur) van benzine om kan zetten in energie waar je wat mee kan. Een groot deel gaat verloren in de vorm van warmte.

[Bartjuh]

Een groot deel? Het overgrote deel. Misschien gaat 20% gemiddeld naar arbeid, de rest naar warmte.

Optimaal zou je 30-35% kunnen halen, maar dan zit je wel aardig aan het maximum haalbare.

[Countess]

bij moderne autos komt idd ~20% bij de wielen terecht.

als je zuinig rijd tenminste.

[Reactie gewijzigd door Countess op 22 juli 2024 14:00]

[GamingZeUs]

Wat dus neerkomt op nog steeds heel veel meer dan accu's je kunnen bieden. Gecombineerd op gelimiteerde cycli (motoren blijf je hebben).

Accu's kan je wel met duurzame energy opladen, dat blijft het enige voordeel (jammer genoeg).

Overigens gaat dit over de eerste prototypen. Over een paar jaartjes hebben we misschien grafeen accu's in onze schoottablets.

[Japs]

Wat het verschil dan weer wat kleiner maakt is dat de verbrandingswarmte uit benzine maar voor een klein deel daadwerkelijk wordt omgezet in draaing van de motor (ik geloof hooguit iets van 30%), daar doet een accu/supercondensator met elektromotor het een stuk beter...maar ja al zou dat 100% efficient zijn (wat het natuurlijk ook niet zo is) dan nog is het 3900 wattuur tegen 120 wattuur...

[broes_willems]

Je zou de restwarmte van de verbrandingsmotor kunnen gebruiken om een (stirling?)generator aan te drijven die weer elektriciteit produceert. Met die elektriciteit kan je weer een elektromotor aandrijven (waar de auto dan ook op rijdt). Een iets ander idee dan de gebruikelijke hybride?

Er is nu juist een CV ketel op de markt gekomen die restwarmte gebruikt voor de productie van elektriciteit. Een zogenaamde HRe ketel. Wordt gemaakt door Remeha.

[Reactie gewijzigd door broes_willems op 22 juli 2024 14:00]

[maratropa]

railguns en laserpistolen?

[mux]

Het is waarschijnlijk niet als serieuze reactie bedoeld, maar dit is wel degelijk een interessante toepassing. Een moderne coil- of railgun is een geweldig wapen omdat het nagenoeg helemaal stil kan zijn (met een subsone kogel) en herladen kan worden met vrij verkrijgbare materialen - geen explosieven nodig. Echter, voordat je enige schade kunt aanrichten wil je wel in de orde van 400-600J in een kogel stoppen. Een handzame energiebron zou bijvoorbeeld één li-ion cel zijn, daarin kun je 36kJ aan energie stoppen, genoeg voor een paar magazijnen aan kogels. Echter, zelfs de beste cellen leveren maar zo'n 100W piek, en doen dat vrij inefficient waardoor je minder energie daadwerkelijk voor de kogels kunt gebruiken. Ultracondensatoren of hybride batterijen kunnen dit wel mogelijk maken.

Niet de meest vriendelijke manier om deze technologie toe te passen, maar wel iets dat zeker zal gebeuren en nu al gebeurt.

[MrShibby]

Goed om te horen dat er veel research word gedaan naar energiedragers, voor veel apparaten vormt het echt een bottleneck betreffende gebruiksduur, aangezien de hardware steeds krachtiger word.

[jj71]

Maar zoals je in het artikel kunt lezen is de capaciteit van deze ultracondensators nog steeds lager dan die van de huidige Li-ion en NiMH-batterijen, dus deze nieuwe ontwikkeling zal leiden tot batterijen met een veel langere gebruiksduur.

Wel kunnen ze veel sneller worden opgeladen dan de huidige typen batterijen.

[Verwijderd]

Yep. En daar zit het probleem net.
Laad maar ns even een accu van 5kWh in een minuut of 10.
Die condensatoren zijn dan het probleem niet meer, maar de massieve stroomtoevoer..

In die zin zie ik voor de elektrische auto dan ook meer toekomst in een systeem van 'toekomen aan tankstation-wisselen van lege accu met volle accu-wegrijden', waarbij de accu's dan onder een vorm van leasing oid werken.

Of het moet natuurlijk zijn dat die condensatoren zó groot worden dat het bereik vergelijkbaar is met het dubbele van een wagen nu, zodat je gerust je wagen snachts kan laten -traag- opladen.

[Prototype666]

Als je deze nou ICM de "gewone" accu gebruikt kan je dus zorgen dat je:

-met een minuut laden 20 kilometer kan rijden, met 4 uur laden 400 kilometer
-de condensators kan gebruiken om ff wat extra power te geven bij bijvoorbeeld accelereren, meer dan de accu's in die korte tijd zouden kunnen leveren
-meer van de verloren energie bij het remmen kan opslaan: eerst naar de condensators, dan naar de accu (accu kan minder hoge korte bursts van energie verwerken)

nieuwe vorm van hybrid!

[MSalters]

20 km ga je met deze condensatoren niet halen; ze zijn een factor 500 slechter dan benzine. 20 km kost zo'n kilo bezine, oftewel 500 kilo van deze dingen. Ook voor een acceleratieboost zijn ze overbodig. Een accupack wat genoeg energie levert voor 400 kilometer heeft zoveel batterijen dat het gezamelijk piekvermogen ook hoog is. De Tesla heeft voor de helft al 6,831 cellen (!).

[_Thanatos_]

28Wh per kilogram is niet echt een serieus alternatief voor accu's, atm. Dat moet nog zeker tien keer zo hoog worden...

Het grote voordeel is natuurlijk dat het condesators zijn, waardoor ze near-instantly geladen en ontladen kunnen worden, geen geheugeneffect hebben, en praktisch niet slijten.

[Prototype666]

[...] en praktisch niet slijten.

De huidige prototypes verliezen na 500 cycli ongeveer tien procent van hun laadcapaciteit.

.. u zei?

[jj71]

Ok, dit betekent dus dat we wellicht in de toekomst ultracondensators kunnen gebruiken in plaats van Li-ion of NiMH accu's, maar het betekent dus geen spectaculaire doorbraak in de capaciteit van batterijen...

[Elmo_nl]

Wellicht kunnen ze hier iets mee in combinatie met die virussen waar ik laatst iets van las. http://tweakers.net/nieuw...grondstof-voor-accus.html

En wat Barend hierboven zegt m.b.t. fossiele brandstoffen is waar. Maar i.p.v. de output van de brandstof te verhogen kun je ook het verbruik van de apparaten verkleinen. Als je op die twee velden naar elkaar toe werkt kunnen we uiteindelijk wel van de fossiele brandstoffen af.

[daankyd]

Lijkt me geweldig als ze dit gaan gebruiken om fiets- of autoremmen gaan ombouwen naar een energiebuffer om te gebruiken als je weer verder gaat rijden als je klaar bent met remmen zegmaar ;-)