מחקר על פחמני על-על (SCC) מציג שיטה חדשה לשימוש בפחמן בצורה יעילה יותר באחסון והמרת אנרגיה, ומציעה יתרונות סביבתיים פוטנציאליים ושיפורי ביצועים על פני חומרים מסורתיים. עם דגש על התאמה אישית ויעילות, SCCs יכולים לחולל מהפכה בפתרונות אנרגיה מבוססי פחמן, עד לחקירה נוספת של היישום המעשי והכדאיות הכלכלית שלהם.
יש הרבה מחקרים על התרחקות מפחמן כמקור אנרגיה, אבל מה אם במקום זאת הפחמן שנמצא בשימוש יופעל במלוא יכולתו?
אין להמעיט בחשיבותו של פחמן כמקור אנרגיה. למרבה הצער, ההסתמכות על חומרים המבוססים על פחמן אלו הוכחה כהרת אסון עבור הסביבה, במיוחד בכמויות שהם נצרכים על בסיס עולמי. לכן, יש לחקור אמצעים חלופיים. פחמני-על (SCC) הם דרך אפשרית להשתמש בפחמנים בצורה יעילה ו"ירוקה" יותר שיכולה לחרוג מהביצועים הנוכחיים ואריכות החיים של החומרים הסטנדרטיים בהתקני אחסון והמרת אנרגיה.
ממצאי מחקר והפוטנציאל של SCCs
חוקרים פרסמו לאחרונה את הממצאים ב חומרים ומכשירי אנרגיה.
SCCs הם רב פנים הן בבנייה והן בביצועים, אך גם בתפיסה שלהם בכללותה. זה מתחיל בעובדה שהם, אכן, פחמנים. אמנם זה אולי לא נראה כמו צעד להפחתת התלות הכוללת בפחמן, אבל זו דרך להפוך את השימוש בפחמנים לשימוש מכוון יותר עם פונקציות ישירות יותר שיכולות להוביל לביצועים ופונקציונליות טובים יותר.
"קטגוריה ייחודית זו עונה על הדרישות הפונקציונליות המיוחדות של מכשירים בעלי ביצועים גבוהים ועולה על המבנה הנוקשה של פחמנים מסורתיים", אמר דבין קונג, חוקר ומחבר המחקר.
כל מאפיין המוצג כחלק בלתי נפרד בהבטחת תפקוד ה-SCC יכול לשמש כדי לשפר את חומרי הפחמן המסורתיים המשמשים בהתקני אחסון והמרת אנרגיה. קרדיט: דבין קונג, אוניברסיטת טסינגואה
SSCs הם חומרים מבוססי פחמן שנבנו בדיוק עבור החומר שאליו הוא מתממשק, בין אם זה סוללת ליתיום-יון (Li), סוללת ליתיום גופרתי (LiS) או סוללת מתכת-אוויר.
ישנם שלושה מאפיינים עיקריים של SCCs אלה המוצגים על ידי חוקרים לפיתוח ויישום מוצלחים: נקבוביות מותאמות בדיוק, מסגרות מותאמות באופן חופשי וממשקים משולבים מאוד.
יתרונות טכניים וכיוונים עתידיים
לבעלי נקבוביות מותאמות אישית יש יתרון של ניצול משופר של פני השטח והעברת מסה על פני חומרי פחמן מסורתיים. שימוש בפחמן נקבובי כחלק מהחומר הפעיל בהתקני אחסון אנרגיה (כמו סוללות) יכול לשפר מדדים כגון הקיבולת הספציפית של החומר. הקיבולת הספציפית היא כמות המטען החשמלי שניתן להעביר לחומר לכל גרם ממשקל החומר. מסגרות מותאמות באופן חופשי הן חיוניות כדי לאפשר העברה מהירה של אלקטרונים בין הפעולות הפנימיות של החומרים, כולל יחידת הפחמן והאלקטרודה. לבסוף, ממשקים בשילוב גבוה מאפשרים שיפור נוסף בהעברת אלקטרונים, המהווה מרכיב משמעותי בשיפור התפקוד והביצועים הכוללים של הסוללה. ממשקים שעובדים היטב ביחד מאפשרים לתגובות אלקטרוכימיות להתרחש ביתר קלות וללא בעיות כמו צבירה, או היווצרות מקבצים של ננו-חלקיקים.
"בסך הכל, הרעיון של SSCs מראה דרך לפתור את הבעיות העומדות בפני פחמנים נוכחיים, דבר שחשוב ליישומים המעשיים של פחמנים מתקדמים והמכשירים הרלוונטיים הקשורים לאנרגיה עתידית בעלי ביצועים גבוהים בעתיד", אמר קונג.
החוקרים לא שואפים רק לשפר חומרים פעילים מבוססי פחמן עם סקירה זו, אלא מחפשים ליצור שיאים חדשים עבור מבני פחמן. פריצות דרך בביצועים הן מטרה אולטימטיבית, שמטרתה לנפץ צווארי בקבוק בביצועים של המרת אנרגיה ואחסון. עם זאת, תמיד יש קשיים לשקול וקמטים שיש לגהץ עם מחקר נוסף.
הדבר החשוב ביותר שיש לקחת בחשבון הוא שלמכשירים שונים יש צרכים שונים. סביר להניח שלכל סוללות Li, LiS ו-מתכת-אוויר יש מערכת יחסים שונה עם SCCs שיש צורך להגדיר באופן מלא כדי להבטיח התאמה ותאימות. בנוסף, יש לבחון את העלות והביצועים של SCCs לפני שהם הופכים לפתרון מעשי ונרחב. זה יכול לכלול חידוד תהליך ההכנה והפרקורסורים הדרושים כדי להוזיל את העלות ולפשט את הייצור. נקודה נוספת הדורשת מחקר נוסף היא ההבנה הכוללת של מבנה הפחמן וההתפתחות המבנית שלו בהתאם למבשר הפחמן בו נעשה שימוש.
Debin Kong, Wei Lv, Yanbing He ו-Feiyu Kang ממרכז שנזן גיאם גרפן ומעבדת הנדסה לחומרי פחמן מתפקדים באוניברסיטת טסינגואה, עם דבין קונג גם מהמכללה לאנרגיה חדשה באוניברסיטת סין לפטרוליום, Ruliang Liu, Dingcai Wu, ו-Ruowen Fu מהמכון למדעי החומרים באוניברסיטת Sun Yat-sen, Feng Li מהמעבדה הלאומית של שניאנג למדעי החומרים באקדמיה הסינית למדעים וקוואן-הונג יאנג מקבוצת Nanoyang בבית הספר להנדסה כימית וטכנולוגיה בטיאנג'ין. האוניברסיטה תרמו כולם למחקר זה.
תוכנית המחקר הבסיסי הלאומי של סין, הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין, ופרויקט המלומד Taishan של מחוז שאנדונג אפשרו את המחקר הזה.
