Superkondensaatorid lubavad elektriautode laiemat levikut

Üha suureneva energiavajadusega maailm seisab silmitsi tarvidusega minna üle tõhusamatele energiasalvestusseadmetele. Juba koolieas loodusteaduste vastu huvi tundnud Heisi Kurig uuris oma väitekirjas superkondensaatorites kasutatavaid energiaallikaid.

Mida superkondensaatorid endast üldse kujutavad?

Tavakasutaja jaoks on need mõnevõrra sarnased korduvkasutatavate patareidega. Nad on samuti energiasalvestussüsteemid, kuhu saab elektrienergiat salvestada ning vajadusel seda kasutada. Aga on ka mõned erinevused.

Kui tuua paralleele spordist, siis superkondensaator on nagu sprinter – lühikese aja jooksul annab ta välja suure koguse temasse salvestatud elektrienergiat. Patareid on jälle nagu pikamaajooksjad, nendel on korraga kättesaadav elektrienergiahulk väiksem, aga nende tühjenemisaeg on pikem. See tuleb nende erinevast tööpõhimõttest, et elektrilise kaksikkihi kondensaatoritesse toimub energia salvestamine puhtalt füüsikalise absorptsiooni ehk staatiliste laengute tõmbumise kaudu, aga patareidesse läbi elektrokeemiliste reaktsioonide. Kuivõrd elektrokeemilistest reaktsioonidest energia kättesaamine on aeglasem, siis on patareide tühjenemistsükkel ajaliselt pikem, ent laadimis- ja tühjakslaadimiskiirus superkondensaatoritest aeglasem.

Patareid käivad elektrooniliste aparaatide sisse, aga kus on superkondensaatoreid vaja?

Kondensaatoreid kasutatakse aparaatides, kus on vaja lühiajalist suure võimsusega vooluimpulssi. Kui võtame näiteks sadamates töötavad kraanad, millega tõstetakse suuri konteinereid, siis patareid sinna hästi ei sobi. Esiteks nende täis- ja tühjakslaadimiste arv on väiksem, enne kui nad oma aja üle elavad, aga kondensaatoritel on see kuni miljon tsüklit. Lisaks sellele toimub see tõstmine lühiajaliselt, aga rakendada on vaja suurt jõudu ja seetõttu sobivad kondensaatorid paremini.

Kui võtaksime nüüd elektriautod, siis seal on patareide ülesanne tagada elektrimootori töö pikema ja stabiilsema liikumise vältel, aga superkondensaatorid sobivad hästi kiirenduse jaoks ja pidurdusenergia salvestamiseks. Patareid laeme täis mõne tunniga, aga superkondensaatoritel kulub selleks kuni mõni minut. Seepärast suudavad nad ka pidurdusenergia ehk hästi lühikese aja jooksul toimuva muutusest vabaneva energia salvestada endasse kiiremini. Patareid ja superkondensaatorid pole süsteemid, mis peaksid kuskil üksteist asendama, vaid neid võiks kasutada paralleelselt erinevates elektrisüsteemides.

Millised küsimused olid teie doktoritöös uurimise all?

Superkondensaatorite võimsustihedus, mida me nende puhul taga ajame, sõltub väga palju sellest, millises pingetevahemikus saame seda süsteemi kasutada. Parimad tulemused on seni saadud orgaanilistel solventidel baseeruvate superkondensaatoritega. Näiteks solvendiks on atsetonitriil ja selles on lahustatud mõni kvaternaarne ammooniumsool. Sellise süsteemi töövahemik oleks umbes kolm volti.

Kui tõstaksime selle töövahemiku kolmelt neljale voldile, võiksime saada kuni kaks korda suurema võimsustiheduse. Eeldusel, et ülejäänud parameetrid nagu mahtuvus ja takistus selles süsteemis oleksid enam-vähem samad. Ioonsete vedelike puhul loodetakse, et võiks saada laiemat potentsiaalide vahemikku, kus nad on stabiilsed. Seda on ka nähtud selliste elektroodide puhul nagu on plaatinaelektroodid või klaassüsinikelektroodid. Aga elektrilise kaksikkihi kondensaatori elektroodid on enamasti amorfsed süsinikelektroodid. Kui ma mõõdan nende elektroodidega, siis ioonsete vedelike stabiilsus jääb ikkagi sinna kolme voldi kanti.

Minu töö lähtuski sellest, et uurida, mis võiks olla põhjused, miks me selles süsteemis ei näe nii laia ideaalse polariseeritavuse ala nende ioonsete vedelike puhul. Ja ma uurisin konkreetselt ioonsetes vedelikes olevate anioonide mõju sellele potentsiaalide vahemikule. Nagu näha oli, siis anioonide valik on üsna oluline, tuleb kindlasti leida sobiva ja stabiilse aniooniga ioonne vedelik, et saaks seda kasutada elektrilise kaksikkihi kondensaatoris.

Kui populaarne on antud teema energiasalvestusseadmete valdkonnas?

Energiasalvestusseadmed on väga kuum teema, kuna teame, et ainult fossiilseid kütuseid me enam kaua kasutada ei saa. Tuleb leida alternatiivseid energia tootmise ja salvestamise seadmeid nagu näiteks kütuseelemendid, superkondensaatorid ja erinevad patareid. Seepärast on superkondensaatorite uurimine oluline ja üsnagi populaarne uurimisteema.

Mis võiks ees oodata, juhul kui teadlastel õnnestub luua paremaid supekondensaatoreid?

Üks suund oleks kindlasti elektriautode laiem levik ja samuti üleminek fossiilsetelt kütustelt taastuvenergiale. Seal kerkib muidugi küsimus elektrienergia tootmisest, hetkel Eestis jätkaksime siiski fossiilsete kütuste tarbimisega. Aga järjest rohkem võiks kasutada tuule- ja päikeseenergiat. Arvestades rannikupiirkondi on Eestis tuuleenergial päris suur potentsiaal. Ka seal on energia salvestamisel superkondensaatoril väga suur roll, sest tuul ei puhu kogu aeg ühe kiirusega, vaid võivad olla üsna tugevad ja suure võimsusega tuuleiilid. Ja selleks on meil vaja kiiret süsteemi, mis suudaks kiiresti akumuleerida selle energia, mis on sel tuulepuhangu hetkel kättesaadav, ja siis laadida aeglaselt patareid.

Kuivõrd keskkonnasõbralikud on taolised superkondensaatorid?

Nad mõnes mõttes on ja ka ei ole keskkonnasõbralikumad. Kui võtame nende tööea, siis neid võib täis ja tühjaks laadida kuni miljon tsüklit, seda on väga palju. Neid pole ka vaja väga tihti vahetada, mis tähendab, et neid ei pea nii palju tootma ja kogu solventide ja materjalide kulu on sellevõrra väiksem. Olenevalt superkondensaatoritest kasutatakse neis erinevaid materjale. Süsinik üldiselt pole probleem, aga veidi problemaatilisemad on solvendid, mida seal kasutatakse. Kui räägime orgaanilistest solventidest, mida elektrolüütides kasutatakse siis keskkonnasõbralikkusega on nii ja naa. Öeldakse, et atsetonitriil on mõnevõrra keskkonnaohtlik. Samas, kui solventidega mõistlikult ringi käia ja tööstuses rakendada sobivad meetmed kemikaalide ohutuks kasutamiseks ja tootmiseks, siis pole see ehk nii suur probleem, sest inimkond kasutab palju ohtlikumaid aineid. Neid ioonseid vedelikke, mida uurisin, peetakse mõneti natuke keskkonnasõbralikumaks ja mõneti jälle mitte. Nende tootmine pole eriti keskkonnasõbralik protsess, sest solventide kulu on päris suur. Ometi on see eelis, et ioonsete vedelike aururõhk on madalam, mis tähendab, et keskkonda neid aurustumise kaudu praktiliselt ei satu. Kogu seda keskkonnasõbralikkuse küsimust tuleb vaadata laiemalt, mitte ainult ühte aspekti.

Kas ka ettevõtjatel on huvi selle vastu, mida teadlased laborites antud teemal uurivad?

Energeetikas on tegelikult väga paljud suurtootjad huvitatud sellest, mis toimub just superkondensaatorite, patareide ja kütuseelementide valdkonnas. Ka nemad peavad vaatama tulevikku, et näiteks milliseid autosid arendada ja kuidas olla esimene, kes tuleb uue lahendusega turule. Selleks peab teadusmaastikul toimuvaga väga kursis olema. Sestap toimuvad kohtumised nii teadlaste kui ka tootjate vahel, et arutada, kuhu poole liikuda ning kuidas teadust rahastada, saamaks võimalikult efektiivseid tulemusi.

Artikkel ilmus ajakirjas Universitas Tartuensis.

• Tweet