Klei als hoge-temperatuur supercondensator

Share Button

Klei, een overvloedig aanwezig en goedkoop natuurlijk materiaal, is het hoofdingrediënt in een supercondensator die kan opereren op zeer hoge temperaturen, aldus  onderzoekers van de Texaanse Rice Universiteit die het apparaat  hebben ontwikkeld. Wordt op termijn robotverkenning van het Venusoppervlak mogelijk?

Het belang van supercondensatoren
Willen we motoren die op fossiele brandstoffen lopen vervangen door elektriciteit, dan moeten we in staat zijn minimaal evenveel bruikbare energie in een elektrisch opslagmedium op te slaan als in een even grote tank benzine. Lithium ion batterijen, op dit moment het minst slechte alternatief, presteren beroerd. Supercondensatoren, die elektriciteit niet als chemische energie maar als lading opslaan, zijn veelbelovende opvolgers. Mede omdat ze heel snel hun energie afgeven en een vergeleken met lithium-ion, niet veel lagere opslagcapaciteit hebben. Ze combineren voordelen van batterijen en condensatoren. Daarom is er veel interesse voor supercondensatoren.

Hoge-temperatuur supercondensator eindelijk mogelijk
Materiaalkundige Pulickel Ajayan meldde in het wetenschappelijke tijdschrift Scientific Reports, dat de door hen ontwikkelde supercondensator betrouwbaar is tot temperaturen van 200 graden boven nul en mogelijk zelfs boven deze grens. Dit maakt de supercondensator erg nuttig als energiebron voor toestellen die in zeer echte extreme omstandigheden werken, zoals bij olieboren, militaire toepassingen en de ruimte.

Supercondensator voor extreem hoge temperaturen. Komt Venus eindelijk binnen bereik? Bron: Rice Univ.

Supercondensator voor extreem hoge temperaturen. Komt Venus eindelijk binnen bereik? Bron: Rice Univ.

“Onze bedoeling is om afscheid te nemen van conventionele elektrolyten die beperkt zijn tot lage temperaturen,” aldus Arava Leela Mohana Reddy, hoofdauteur van het artikel en een voormalig collega van Pulickel Ajayan.

“Een membraanelektrolyt op basis van klei is een fundamentele doorbraak, die een van de belangrijkste beperkingen opheft voor elektronica om te functioneren in zeer hete omgevingen,” vult Reddy aan. Bijkomend voordeel is dat geen dure temperatuurregeling  meer nodig is.

Ionische vloeistoffen
Al vele jaren proberen onderzoekers om hoge-temperatuur energie-opslagmethoden te ontwikkelen. Dit is echter verre van gemakkelijk. Dat komt, omdat traditionele elektrolytische condensatoren gebruikmaken van vloeistoffen als water. Water en vergelijkbare vloeistoffen verdampen of vallen uit elkaar bij hoge temperaturen. Een ander probleem is dat de separatoren binnen condensatoren krimpen bij hoge temperaturen, waardoor er kortsluiting ontstaat. Een separator houdt beide polen van een batterij uit elkaar, waardoor geen kortsluiting kan ontstaan, maar ionen wel van de ene pool maar de andere pool kunnen reizen.

De Rice researchers geleid door Reddy and Rachel Borges losten beide problemen tegelijkertijd op. Eerst onderzochten ze room-temperature ionic liquids (RTILs) die in 2009 door Europese en Australische onderzoekers zijn ontwikkeld. Ionische vloeistoffen zijn een mengsel van positieve en negatieve ionen. Gesmolten keukenzout is bijvoorbeeld een ionische vloeistof. RTILs geleiden slecht bij kamertemperatuur maar wat er minder stroperig en beter geleidend wanneer ze worden verhit.

Klei als “natuurlijke” condensator
Klei heeft een nanostructuur die bestaat uit silicium-zuurstof plaatjes, waartussen watermoleculen en ionen kunnen kruipen. Dit maakt klei een populair mineraal onder landbouwers, maar daardoor in principe ook erg geschikt als supercondensator. “Klei heeft een hoge thermische stabiliteit en hoge absorptiecapaciteit, een enorm actief oppervlak en hoge doorlaatbaarheid,” in de woorden van Reddy. Ook wordt klei algemeen gebruikt bij de oliewinning, in de moderne bouwtechnieken, in moderne constructie, in medische applicaties en als een binder in ijzer en staalconstructies. In hun vondst neemt de ionische vloeistof de plaats van water in.

Na het combineren van gelijke hoeveelheden RTIL en bentoniet (een natuurlijk voorkomende kleisoort) in een pasta, persten de onderzoekers het tussen lagen van gereduceerd grafeenoxide en geleiders om een supercondensator te vormen. Testen en opnames met de elektronenmicroscoop daarna toonden dat ook na verhitting tot 200 graden het materiaal niet achteruit ging. Het materiaal kon zelfs verhit worden tot 300 graden zonder dat er veel verandering optreedt in het materiaal. De ionengeleiding neemt lineair toe tot rond de 180 en verzadigd op 200 graden Celsius.

Ideaal voor hoge temperaturen
Er werd een kleine terugval gemeten in het begin, maar de supercondensatoren bleven stabiel gedurende 10.000 testcycli. Sterker nog: zowel energiedichtheid als afgifte vermogen steeg twee ordes van grootte als de temperatuur toenam van kamertemperatuur tot 200 graden Celsius.

In een vervolgstap combineerde het team het RTIL/klei mengsel met een kleine hoeveelheid thermoplastisch polyurethaan (PUR) om een membraan te vormen dat in verschillende afmetingen kan worden gesneden. Dit verhoogt de toepasbaarheid uiteraard flink. Het is mogelijk dat er in de verdere toekomst ook een variant wordt ontwikkeld die resistent is tot temperaturen rond de vijfhonderd graden. Dan kunnen we eindelijk een ruimtesonde ontwikkelen die een reis naar Venus overleeft.

Bronnen
Clay key to high-temperature supercapacitors, Rice University News and Media (2013)
Raquel Borges et al., Supercapacitor Operating At 200 Degrees Celsius, Scientific Reports (2013)

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

10 reacties

  1. antares schreef:

    Fijn dat de militair politieke systemen geen exclusief beslag konden leggen op deze ontdekking. Ik vermoed dat veel andere nuttige concepten zo voor de mensheid in hun archieven verdwijnen.

    • Bemoeier schreef:

      Misschien wordt het patent opgekocht door de olie industrie zodat niemand het kan gaan maken.
      Of misschien kan het elektro gedeelte in een bak met heliumgas gehangen worden zodat de hitte er niet bij kan komen.

      • antares schreef:

        Dat zou kunnen, maar dan zijn er zoveel altruïstisch, bewuste uitvinders als ik zelf, dat dat geen effect meer kan hebben, dankzij internet. Iedere bewuste natuurkundige weet; dat bijvoorbeeld koolstof, (een heel licht, sterk materiaal) supergeleidende eigenschappen krijgt, onder de natuurlijke omstandigheden die in de ruimte heersen. Wat verhinderd mij en anderen die dit, of een ander mogelijk principe serieus en openbaar onderzoeken, e.e.a. te publiceren? Helemaal niemand!!! Elk super geleidend circuit in een baan om de aarde, laad zich op met de energie die de zon afgeeft, in de vorm van hoog energetische deeltjes uitstoot. Het is de bron van het poollicht, en de energie daarvan kan men niet eens inschatten. Het is deze bron van energie, die de hele aardatmosfeer op veelal onzichtbare wijze verwarmd. Wat verhinderd het mensen als Elon Musk bijvoorbeeld, wanneer ze dit weten, technisch verantwoord ontworpen satelliet circuits te lanceren, die dit proefondervindelijk kunnen bewijzen. En dan daarnaast, ik geef dit principe aan de hele menselijke gemeenschap, als open hard ware te beschikking. Motivatie:
         
        Mijn ontzettende teleurstelling in Barack Obama.  

        • Tui schreef:

          Ik ben ook teleurgesteld in Obama, omdat hij van alles beloofde. Het kan zijn dat hij order van bovenaf krijgt, en niet de machtigste man van de VS is. Maar ik denk eerder dat hij gebonden is aan de omstandigheden, waardoor zijn mogelijkheden ook beperkt zijn.

          Wat betreft mogelijkheden genoemd zoals in dit artikel en in jouw reactie, er is heel wat investering en onderzoek nodig om zoiets praktisch uitvoerbaar te maken. Ik geloof niet snel in simpele oplossingen, omdat er van alles aan elkaar vast hangt, waarbij kleine belemmeringen een onneembare obstakel kan zijn.

          Maar commercieel interessant is, dan zullen er partijen wel mee bezig zijn.

        • antares schreef:

          Tui, ik denk dat je weet en begrijpt, wat de consequenties ervan zijn als dit concept werkt. Als ik oliebaron of sheikert was, zou ik in de ruimtevaart en exploratie gaan investeren, zolang mijn geld nog iets waard was. 

        • Tui schreef:

          Een belemmering is het kader in welk een investering plaatsvindt. Kapitaal is op zoek naar rendement. En investeringen in ruimtevaart en innovatie in het algemeen, is vrij risicovol. Maar we kunnen aannemen dat de zoektocht naar rendement volop gaande is.

        • antares schreef:

          Daarin heb je natuurlijk volkomen gelijk. Maar laat ik dan op specifiek dat gebied, (kapitaal investeringen in de ruimtevaart) een poging doen, enige belemmeringen door risico inschattingen, (afwegingen) iets te verzachten. In dit geval d.m.v. een in de praktijk bewezen natuurkundig verschijnsel. Elektromagnetische velden, veroorzaakt door deeltjes en straling, (radiatie) uitstoot van de zon dus, hebben op aarde en daar buiten, zeer serieus te nemen effecten. Normaal zie we dit ’s nachts zichtbaar gemanifesteerd i.d.v. van poollicht, zonlicht overdag, en in de voor ons onzichtbare vorm infrarood (warmte). Speciaal het poollicht speelt overdag een onzichtbare, en in de nacht zichtbare rol, als het gaat om ionisatie gerelateerde verwarming van onze atmosfeer. Als gassen worden geïoniseerd, ( het gas wordt elektrisch geleidend) dan wordt het medium gas, door de weerstand van dat gas warm. De ionisatie van onze atmosfeer vindt niet alleen plaats wanneer wij dit kunnen zien, (in de nacht) maar ook overdag. Het werkt dus niet precies zoals daglicht, dat we alleen zien op het aardoppervlak dat op dat moment voor de zon langs draait, ionisatie is een constante factor. De hoeveelheid energie die nodig is om dat elektrisch effect te doen plaatsvinden, is vele malen groter dan de hele energieconsumptie die wij zelfs in de toekomst kunnen benutten. Tot zover het reële potentiaal ervan, waarvoor wij alleen een manier moesten bedenken om dit efficiënt af te tappen. Hoe werkt mijn concept:
           
           
          Een in het verleden aangetoond werkende manier; is het eenvoudige feit dat zeer veel telegraaf stations, (lijnen, en trafo’s op aarde) destijds doorbrandden tijdens een deeltjesstorm van de zon. Ons aardmagnetisch veld werd overbelast, waardoor het magnetisch veld van de zonnevlam er doorheen sloeg. Eenzelfde piek in activiteit van de zon, zou tegenwoordig nog steeds dat effect hebben, en ons in één klap naar de middeleeuwen werpen. Onze huidige, technische maatschappij is, waar het aankomt op het gebruik van elektriciteit, daarvan totaal afhankelijk geworden. 
           
          Alle procescontrole in de moderne industriële vormen van productie, zal uitvallen, maar ook kerncentrales en wapensystemen over de hele planeet worden onbestuurbaar. Communicatiesystemen vallen ook uit, we kunnen daarom niemand waarschuwen voor de levensgevaarlijke gevolgen daarvan. Vervoer (alle) en transport van informatie, het staat direct stil. Ik sprak van de middeleeuwen, maar de middeleeuwen waren niet onbeheersbaar radioactief, en chemisch vervuild. Het wordt nu wel duidelijk denk ik, dat we niet op kernfusie kunnen wachten tot 2050, welk proces overigens ook kwetsbaar is voor een zonnepiek. Onze energie moet zo snel mogelijk van buiten de aarde komen, en dat kan volgens mij ook. Supergeleidende koolstofcircuits in een baan rond de aarde, kunnen een enorm sterke magnetische schaduw over het oppervlak geven. In die schaduw kunnen we dan de voor ons essentiële, maar kwetsbare industrieën vestigen, en ze tegelijkertijd onbeperkt voeden met de energie in de circuits. Koolstof is een uitzonderlijk sterk product, vele malen sterker dan staal. Het is bijzonder licht, en in grote voorraden voorhanden. Voor de ruimtevaart zeer interessant; het kost veel minder brandstof om dit materiaal in stabiele banen rond onze planeet te brengen. Het onderhoud zou zich beperken tot de energie transmitters op de circuits, (zenders) die de elektrische vermogens, (gelijkstromen) om moeten zetten in de voor ons meest efficiënt toepasbare frequenties. Het systeem zal wanneer ingezet, direct grote invloed uitoefenen op de CO2 productie, fossiele brandstoffen hebben we dan niet meer nodig. Daarnaast; de natuurlijke ionisatie van atmosferische gassen als gevolg van elektromagnetische stromen door zonneactiviteit, worden zo afgetapt door deze circuits. M.a.w. de atmosfeer koelt daarmee ook af, (ionisatie geeft bewezen warmte) het broeikaseffect neemt daardoor ook weer af. Het gebruik op aarde, van onbeperkte energietoevoer vanuit de circuits, garandeert ons namelijk de benodigde warmte t.b.v. voedsel, (plant en gewassen groei in kassen) en warmte voor verblijfsruimten (bewoning).
           
          Wat betekent dit concept verder voor de ruimtevaart:
          De vermogenslading, (capaciteit) die in met dergelijke (nu nog hypothetische) circuits, uitgeruste transportschepen zal worden opgebouwd, kan gebruikt worden in zogenaamde elektrische flessen (wordt toegepast in experimentele fusiereactoren). Het magnetisch veld schept een noodzakelijke warmte isolatie tussen het materiaal van de fusiereactor, en de absurd extreme temperaturen die dit proces nodig heeft. Geen enkel materiaal is tegen 100 000 000 Kelvin bestand, dus er moet afstand zijn, of isolatie. Magnetische velden zijn onstoffelijk, dus ideaal voor deze procesomstandigheden. Alle materie welke men in zo’n magnetische fles injecteert, kan met laser verdampt, en vervolgens door magnetische compressie, als aandrijving worden gebruikt. Dit betekent dat we in geval mijn concept werkt, alle aanwezige materie in de ruimte zelf, kunnen gebruiken als brandstof. Tenminste, zolang we binnen het radiatiegebied van een ster als de onze verblijven.
           
          Heb ik nu het principe van een werkend perpetuum mobiel ontdekt??? Verre van dat, maar het komt er hypothetisch althans wel het dichtst bij. Theoretisch zou het concept moeten werken, maar het blijft een hypothese zolang niemand er mee geëxperimenteerd heeft.
           
          Maak je zelf, maak de toekomst. ;)   
           
           

  2. antares schreef:

    Eens zien of ik er nog iets bruikbaars aan toe kan voegen:
     
    Het huidige concept ruimtelift, verondersteld het gebruik van een supersterke kabel, en contra satelliet station, op geostationaire positie.
     
    Mijn ruimtelift ziet er heel anders uit:
    Bouwplan:
     
    Fabriceer eerst een werkend, (volgens het energie voorzienende principe dat ik hypothetisch gebaseerd voorstel) capabel, geostationair ruimtestation, met ontvangers. De gekozen rendabele relatie grondstation / ruimtestation, dient zich in onbewoond gebied te bevinden. Fabriceer dan gefaseerd, heliumgekoelde, supergeleidende koolstofcircuits, en gebruik de benodigde energie daarvoor uit het ruimtestation. We weten inmiddels uit ervaring, dat supergeleidende magneten zich krachtig stabiel boven elkaar centreren. Men kan daardoor de circuits op ruimtelijke afstand, op elkaar stapelen. De praktisch werkende grootte van de magnetische velden, (energie capaciteit circuits) bepaalt de ruimtelijke afstand tot de circuits. Als we dan verder in zo’n hypothetisch project kijken; bouwt men zoveel stations als op elkaars reëel berekenbare, magnetische positie invloeden dat toestaat. In de ruimte aangekomen heb je nu een ruimtelift. met één verschil…. We kunnen dan grote (technische) ladingen lanceren, met enorme snelheden. Wordt het op aarde vervelend, door wat voor onverwachte omstandigheden dan ook, dan is er een efficiënte, evacuatie en exploratie mogelijkheid, voor zoveel mogelijk ontwikkelde bewoners.   

    • antares schreef:

      Er is een fout in het begin van mijn tekst geslopen. Er staat <geostationair ruimte station, met ontvangers.> Dat laatste moet zijn, zenders (transmitters). Op het grondstation staan de ontvangers. Van onder af naar boven, ziet het er uit als een enorme stapel grote ringen, die met afstand boven elkaar zweven. Overigens, het verschijnsel dat de ringen in positie boven elkaar houdt, noemt men flux pinning. Ik heb vanmorgen een door Michio Kaku ontworpen methode bekeken, om de gevolgen van enorme versnellingen op het menselijk lichaam efficiënt te compenseren. De methode werkt als volgt:
       
      Men nam een gesloten constructie gevuld met water, maar ook andere vloeistoffen werken. In de vloeistof dreef een met water gevulde ballon. De constructie werd in een snelle centrifuge geplaatst, en belast met 60 G. De ballon vervormde niet, ondanks de gigantische G krachten. 
       
      De ruimtelift kan zo naar keuze, volgens het principe van een magnetische rail gun werken, de G krachten worden gecompenseerd.

  3. willem55 schreef:

    Hier wordt klei als supercondensator genoemd maar dan wel tussen lagen van oa grafeenoxide en dat is volgens mij misschien nog belangrijker.
    Er zijn een aantal supercondensatoren op komst die allen te maken hebben met grafeen op de een of andere manier.
    we zijn op weg naar een grapheen georienteerde samenleving die (als de elite het toelaat ) ook betekent dat we zowel energie als drinkwater onuitputtelijk kunnen gebruiken.
    De komende 10 a 20 jaar zal de wereld als alles volgens plan verloopt op dit gebied volledig veranderen.
    Dit maakt de dicussie in Nederand over het energie en milleuprobleem volledig achterhaald.
    Helaas laat de massa zich nog steeds door de politici en machtige lobbypartijen een rad voor ogen draaien door ons onjuist te informeren.
    Of zijn ze werkelijk zo stom?

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger