Jauna ARMS publikācija atklāj, kā alkšņa koksne pārtop augstas veiktspējas superkondensatoru materiālā

ARMS konsorcijs atzīmē jaunu zinātnisku sasniegumu – kopīgu publikāciju, kas parāda, kā ilgtspējīgi materiāli un gudra inženierija var no jauna definēt drukāto enerģijas uzkrāšanas ierīču iespējas. Jaunajā Small Science brīvpieejas rakstā pētnieku komanda – Hamed Pourkheirollah, Remuel Isaac M. Vitto, Jari Keskinen un Matti Mäntysalo no Tamperes Universitātes, Dāvis Kalniņš, Līga Grīnberga, Anatolijs Šarakovskis un Gints Kučinskis no Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta, Aleksandrs Volperts no Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūta (LVKĶI) un Steffen Thrane Vindt no uzņēmuma InnoCell ApS – prezentē nozīmīgu izrāvienu augstas veiktspējas drukāto superkondensatoru izstrādē. Tie veidoti no ar NaOH aktivētas ogles, kas iegūts no alkšņa koksnes – biomases izejvielas, kas ir plaši pieejama, atjaunojama un, pareizi apstrādāta, izrādās pārsteidzoši efektīva.

Publikācija sākas ar vienkāršu jautājumu: vai tik parastu materiālu kā koksne var pārvērst par augstas pievienotās vērtības komponentu nākamās paaudzes enerģijas uzkrāšanas tehnoloģijām? Pētnieku atbilde ir nepārprotama – jā.

Rūpīgi optimizējot zemas temperatūras aktivācijas procesu ar nātrija hidroksīdu, tika izveidota aktivētās ogles materiālu sērija (AWC), kurai raksturīga precīzi kontrolēta porainā struktūra un ļoti liela specifiskā virsmas platība. No šīs sērijas īpaši izcēlās materiāls AWC 3-600, kas iegūts, izmantojot NaOH un ogles masas attiecību 3:1 pie 600 °C.

Šim materiālam ir ļoti līdzsvarota poru struktūra: specifiskā virsmas platība 2393 m²/g un 85,4 % mikroporu. Tas ļauj joniem efektīvi pārvietoties, vienlaikus nodrošinot milzīgu virsmu lādiņa uzkrāšanai.

Tomēr izšķirošais pārbaudījums sākās tad, kad šī ogle tika izmantota drukātos superkondensatoros. Izmantojot ūdens bāzes tintes un elastīgus substrātus, pētnieki izgatavoja videi draudzīgas un mērogojamas ierīces – pieeju, kas labi saskan ar ARMS mērķi attīstīt zaļas un nākotnē drošas ražošanas metodes.

Materiāls AWC 3-600 NaCl elektrolītā uzrādīja kapacitāti 307 F/g, bet kālija fosfāta buferšķīdumā – 291 F/g, vairākos gadījumos vairāk nekā divkāršojot komerciālā etalona materiāla veiktspēju. Tā enerģijas blīvums sasniedza līdz 61 Wh/kg. Turklāt drukātie superkondensatori pēc 10 000 uzlādes–izlādes cikliem saglabāja 95 % no sākotnējās kapacitātes, kas apliecina augstu ilgtermiņa stabilitāti un konkurētspēju ar daudziem komerciāliem risinājumiem.

Papildus galvenajiem rezultātiem pētījums sniedz arī dziļāku izpratni par procesiem. Pētnieki parāda, ka poru struktūras un elektrolīta jonu izmēra savietojamība būtiski nosaka ierīces veiktspēju. Mazākie Na⁺ un Cl⁻ joni labi darbojas šaurajos mikroporu tīklos, kas veidojas pie zemākām aktivācijas temperatūrām – tas izskaidro AWC 3-600 augsto veiktspēju NaCl elektrolītā. Savukārt lielākie fosfāta joni efektīvāk darbojas aktivētās ogles materiālos ar lielāku mezoporu īpatsvaru, piemēram, AWC 4-700, kas aktivēts 700 °C temperatūrā.

Šī saikne starp aktivācijas apstākļiem, poru struktūru un elektrolīta īpašībām nodrošina pamatu mērķtiecīgai enerģijas uzkrāšanas materiālu izstrādei.

Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūta pētnieks Dr. sc. ing. Aleksandrs Voļperts skaidro:
“Mūsu mērķis bija savienot materiālzinātni ar praktiski izmantojamām drukātās elektronikas tehnoloģijām. Aktivētā ogle no alkšņa koksnes tika integrēta ūdens bāzes tintē un uzklāta uz substrātiem, demonstrējot, ka ilgtspējīgas izcelsmes materiāli var strādāt mērogojamās ražošanas sistēmās. Tas ir būtisks solis ceļā uz vidi saudzējošām enerģijas uzkrāšanas ierīcēm.”

Publikācija arī uzskatāmi demonstrē ARMS partneru sadarbības nozīmi. Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūtā Dr. sc. ing. Aivara Žūriņa vadībā tika izstrādāti aktivētās ogles materiāli; Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts veica detalizētu struktūras un ķīmisko īpašību raksturošanu; Tamperes Universitāte izstrādāja un testēja drukātās ierīces; savukārt InnoCell ApS nodrošināja materiālu un ierīču līmeņa ekspertīzi. Šī daudzpartneru sadarbība parāda, kā ARMS apvieno dažādas kompetences, lai paātrinātu zinātnisko progresu.

Kopumā pētījums demonstrē, ka augstas veiktspējas enerģijas uzkrāšanas materiāli nav obligāti jābalsta uz retām izejvielām vai energoietilpīgiem procesiem. Ar pārdomātu dizainu un starpdisciplināru sadarbību biomases atlikumus iespējams pārveidot par moderniem oglekļa materiāliem, kas ļauj radīt jaudīgus, stabilus un videi draudzīgus drukātus superkondensatorus.

Tas ir inovācijas stāsts, kura pamatā ir ilgtspējīga pieeja – un kas labi atspoguļo ARMS projekta galvenās ambīcijas.

Avots: ARMS projekta publikācija, teksts pielāgots un papildināts LVKĶI mājaslapai