Cechą wyróżniającą kondensatory jest ich zdolność do przechowywania energii w postaci pola elektrycznego. W najnowszym wydaniu taki niekonwencjonalny magazyn może zachować aż 81% sprawności po upływie 10 000 cykli. Tak imponujące właściwości powinny sprawić, że nowe elementy znajdą jeszcze szersze zastosowanie w regeneracyjnych układach hamulcowych pojazdów, zasilaczach czy urządzeniach elektronicznych.
Czytaj też: Sensacyjne odkrycie w Izraelu. Starożytni zostawili niezwykłe ślady
O ile typowe akumulatory przechowują i uwalniają energię elektryczną za pomocą reakcji chemicznych, tak kondensatory wykorzystują w tym samym celu separację jonów. W zaawansowanej wersji, określanej mianem superkondensatora, takie urządzenie wykorzystuje ciekły elektrolit zawierający jony i elektrody o dużej powierzchni. Zapewnia to zdecydowanie większe możliwości z zakresu magazynowania energii.
Superkondensatory zawierają elektrolit na bazie wody, co z jednej strony zwiększa ich stopień bezpieczeństwa i ogranicza negatywny wpływ na środowisko naturalne, by z drugiej generować szereg problemów. Naukowcy będący autorami publikacji zamieszczonej w Science Bulletin postanowili uporać się z tymi ograniczeniami.
Zaprojektowany przez chińskich inżynierów superkondensator po upływie 10 000 cykli zachował 81% swojej pierwotnej pojemności
Wyjściem z sytuacji miało być stworzenie hybrydowej konstrukcji elektrolitu. Poza nim w skład takiego urządzenia wchodzi separator i dwie elektrody. Jony przemieszczają się tam w kierunku elektrod o przeciwnych kierunkach, napędzane napięciem pochodzącym z zewnątrz. Im wyższe jest rzeczone napięcie, tym większy ładunek, co oznacza więcej energii magazynowanej w superkondensatorze.
Poza tym, taki sposób cechuje się możliwością naładowania i rozładowania w mgnieniu oka – zdecydowanie szybciej niż w przypadku klasycznych baterii. Niestety, jako że woda rozpada się na jony przy bardzo niskim napięciu, to pojemność magazynowania energii staje się mało imponująca. Jakby problemów było mało, to H2O jest bardzo zmienna w zależności od temperatury: może zamarzać czy parować na skutek jej wahań.
Czytaj też: Unia otworzy nowe kopalnie. Europa chce się odwrócić od Chin i to w zaskakująco krótkim czasie
Aby zapewnić superkondensatorom szereg praktycznych zastosowań, chińscy inżynierowie zaprojektowali elektrolit hybrydowy zawierający trzy składniki. Była to kolejno woda, ciecz jonowa o nazwie EMIMNTf₂ oraz sól potasowa znana jako KOTf. Dzięki tej ostatniej możliwe stało się skuteczne mieszanie cieczy jonowej z wodą, co prowadziło do sytuacji, w której cząsteczki wody ustawiały się wokół jonów potasu w określony sposób.
Dzięki tej niecodziennej konfiguracji badacze odnotowali brak udziału cząsteczek wody w reakcjach rozpadu stwarzających problemy przy wyższych napięciach. Poza tym elektrolit okazał się stabilny w ekstremalnych temperaturach, zyskując w tym zakresie ogromną przewagę nad wodą. W takim wariancie możliwość działania sięga napięć do 3,37 wolta i w temperaturach z zakresu od 0 do 100 stopni Celsjusza. Przy wartościach do 60 stopni Celsjusza superkondensator zachował 81,8% pojemności po 10 000 cyklach ładowania.