Ludzkość od wieków szuka sposobów na magazynowanie energii. Sformułowanie „od wieków” nie jest nadużyciem językowym – jedna z hipotez głosi, że gliniane naczynie z miedzią i żelazem odkopane w Iraku prawie sto lat temu, tzw. Bateria z Bagdadu, było najprawdopodobniej pierwszym ogniwem galwanicznym, działającym po prostu jak… duża bateria. Znalezisko datuje się na III w. p.n.e.
Po dwóch tysiącach lat niemieccy i holenderscy uczeni skonstruowali pierwsze kondensatory, tzw. butelki lejdejskie – szklane bańki, których powierzchnie zewnętrzne i wewnętrzne pokryte są warstwami metalu, stanowiąc okładki kondensatora, zaś szkło butelki pełni rolę izolatora.
Kondensator to proste urządzenie służące do chwilowego magazynowania energii elektrycznej. W butelce lejdejskiej energię gromadzono między dwiema warstwami metalu – jedną na zewnętrznej, drugą na wewnętrznej stronie szklanej bańki. Szkło rozdzielało obie warstwy metalu i sprawiało, że energia mogła być w nich gromadzona bezpiecznie.
Pod koniec XIX w. „polski Edison”, czyli Karol Pollak, wynalazł kondensator elektrolityczny, w którym rolę jednej z elektrod pełni elektrolit, co pozwala uzyskać większą pojemność – czyli zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego – przy zachowaniu niewielkich rozmiarów urządzenia. Był to ważny krok w rozwoju technologii magazynowania energii.
Kilkadziesiąt lat później pojawiło się rozwiązanie jeszcze bardziej wydajne: superkondensator. Jego pojemność wielokrotnie przewyższa pojemność klasycznego kondensatora, a energię może przyjmować i oddawać znacznie szybciej. Dzięki temu znajduje zastosowanie m.in. w motoryzacji i energetyce.
Dziś badacze z Uniwersytetu Warszawskiego, we współpracy z partnerami z Chińskiej Akademii Nauk oraz Uniwersytetu MacEwan w Kanadzie, pracują nad kolejnym etapem tej ewolucji. Opracowywane przez nich superkondensatory za jakiś czas mogą stać się elementem urządzeń, które będziemy nosić na nadgarstkach. Co więcej, wykazują one pewną szczególną, pożądaną cechę…
Pamięć kształtu
Gdy słyszymy to pojęcie, myślimy o ergonomicznych poduszkach, które dopasowują się do leżącej na nich głowy, nie nadwyrężając szyi i karku, i powracają do pierwotnego kształtu, gdy zostanie z nich zdjęte obciążenie.
Określenie pamięć kształtu w mniej potocznym rozumieniu stosuje się do materiałów, które można zdeformować, np. dopasować do nadgarstka, a następnie przywrócić im pierwotny kształt pod wpływem bodźca, np. światła.
– W naszych materiałach ta zmiana jest odwracalna i kontrolowana dzięki fotochemicznej reakcji grup cynamonianowych. Istotne jest, że odbywa się to w warunkach otoczenia, bez podnoszenia temperatury, a elementy zachowują funkcję elektryczną nawet po wielokrotnych odkształceniach – wyjaśnia dr hab. Marcin Karbarz, prof. UW.
Grupy cynamonianowe to fragmenty cząsteczek chemicznych wbudowane w strukturę materiału. Pod wpływem światła mogą one tworzyć lub zrywać wiązania między łańcuchami polimeru, co pozwala „zablokować” nadany kształt, a następnie ponownie go zmienić.
Elastyczne magazynowanie energii
Przełom dokonujący się na Wydziale Chemii i w Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW polega na tym, że funkcję superkondensatora – czyli magazynowania i szybkiego oddawania energii – wbudowano bezpośrednio w materiał posiadający pamięć kształtu. Dzięki temu powstają elastyczne, wielokrotnie przekształcalne urządzenia magazynujące ładunek.
Opracowana procedura pozwala łączyć warstwy takiego elastycznego superkondensatora za pomocą światła! I daje to bardzo wytrzymałe, nierozwarstwiające się sklejenie!
W takim ogniwie elektroda – czyli warstwa przewodząca prąd – ściśle przylega do elektrolitu, czyli substancji umożliwiającej przepływ ładunku między elektrodami. Dzięki temu prąd przepływa łatwiej, straty energii są mniejsze, a urządzenie działa wydajnie. W efekcie urządzenie osiąga wyjątkowo wysokie parametry: konduktywności, czyli zdolności do przewodzenia prądu i pojemności elektrycznej, czyli magazynowania energii. I nie traci tych imponujących wyników nawet po wielu odkształceniach i tysiącach ładowań.
Oznacza to, że samo urządzenie magazynujące energię może się zginać, dopasowywać do kształtu ciała i wielokrotnie zmieniać formę, nie tracąc właściwości.
Ile razy byliście zdziwieni, że telefon naładowany do pełna na mrozie zaczyna się rozładowywać w ekstremalnym tempie? Opracowany materiał nie ma tego problemu – jego hydrożelowy elektrolit i stabilność chemiczna sprawiają, że magazynowanie energii działa skutecznie nawet w niskich temperaturach. Dzięki temu takie superkondensatory mogłyby zasilać urządzenia noszone na zewnątrz – np. zegarki działające bez problemu na mrozie.
– Dzięki suchej procedurze łączenia oraz fotochemicznemu „sklejaniu” grup cynamonianowych powstaje interfejs o bardzo dużej przyczepności, co skutecznie zapobiega delaminacji podczas zginania i zmiany kształtu. W praktyce oznacza to bliski kontakt między elektrodą a hydrożelowym elektrolitem, znaczne zmniejszenie oporu przy transferze ładunku i utrzymanie wydajności elektrochemicznej. Dzięki temu superkondensator zachowuje wysoką przewodność i pojemność nawet po wielokrotnych przekształceniach i tysiącach cykli ładowania–rozładowania – opowiada o wynalazku prof. Marcin Karbarz.
W ten sposób uniwersyteckie badania tworzą podstawy do produkcji urządzeń na miarę XXI w., a przy okazji mogą być – dla niektórych pewnie bardzo cenną – zachętą do uprawiania sportu!
