Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Nanotekniikka tekee tiiliseinästä sähkövaraston

Kun tiilet täytetään nanokuidulla, niihin voidaan säilöä sähköä. Tällaisista tiilistä tehdyt talot olisivat kuin jättiläisakkuja.

Shutterstock

Yhdysvalloissa Washingtonin yliopistossa on kehitetty tiiliskivi, joka ulkoa näyttää tavalliselta punaiselta tiileltä mutta joka toimii myös akkuna.

Tiilestä on saatu sähkösäiliö täyttämällä sen huokoset erikoismuovista tehdyllä kuidulla, joka pystyy säilyttämään sähköjännitteen.

Jos kokonaiset rakennukset tehtäisiin akkutiilen kaltaisesta materiaalista, käsillä voisi olla ratkaisu uusiutuvan energian suureen ongelmaan eli energian varastointiin. Tulevaisuudessa talon katolla olevat aurinkokennot voisivat tuottaa päästötöntä sähköä ja se varastoitaisiin tiiliseiniin odottamaan käyttöä.

Tiileen syntyy sähköjännite

Tarkkaan ottaen sähköä säilövä tiili ei ole akku vaan kondensaattori.

Kondensaattori koostuu kahdesta elekrodista, esimerkiksi sähköä johtavasta levystä, joiden välissä on eristekerros. Kun kondensaattoria ladataan, elektrodit saavat sähköisen varauksen.

Kondensaattori varautuu myös, jos jompaakumpaa elektrodia kosketetaan varauksellisella kappaleella. Silloin myös toinen elektrodi saa yhtä suuren, mutta vastakkaismerkkisen varauksen. Samantapainen ilmiö syntyy, kun ilmapalloa hangataan villapaitaan: vastakkaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa.

Kun kondensaattorin toinen elektrodi on negatiivinen ja toinen positiivinen, niiden väliseen kerrokseen syntyy sähkökenttä. Jännite-ero säilyy välikerroksessa, kunnes sen energia otetaan käyttöön ulkoisessa virtapiirissä.

Huokosten pinta-ala tekee tiilestä superkondensaattorin

Kondensaattorin kapasiteetti on sitä suurempi, mitä isompi elektrodien pinta-ala on ja mitä pienempi on niiden välimatka.

Superkondensaattorissa elektrodien pinta on huokoista nanomateriaalia. Huokosten seinämissä on huomattava kokonaispinta-ala. Elektrodien välillä taas ei ole paksua eristekerrosta vaan vain ohut muovikalvo.

Näin saadaan aikaan sama rakenne kuin tavallisessa kondensaattorissa, mutta elektrodien pinta-ala on suurempi ja niiden etäisyys on lyhyempi.

Tiilestä valmistettu superkondensator saa ledin loistamaan. Tiilen huokosissa on sähköä johtavan muovin nanokuituja.

© D’Arcy Research Laboratory

Yhdysvaltalaistutkijoiden kehittämä tiiliskivi toimii kuin superkondensaattorin elektrodi. Ensin tiili käsitellään sähköä johtavalla PEDOT-muovilla, jossa on nanokuituja. Sitten tiili halkaistaan kahtia, ja puolikkaat upotetaan elektrolyyttiseen hyytelöön. Kun puolikkaat pannaan takaisin yhteen, syntyy superkondensaattori.

Toistaiseksi superkondensaattoritiilien kapasiteetti ei ole järin hyvä. Ensimmäisten prototyyppien energiatiheys oli vain prosentin tavallisen litiumioniakun energiatiheydestä. Superkondensaattoritekniikan heikko kohta on nimenomaan energiatiheys, sillä tavallisten akkujen energiatiheys on usein 10–50 kertaa parempi kuin kondensaattorin.

Toisaalta superkondensaattorit ovat kevyempi kuin akut, ne latautuvat nopeammin ja toisin kuin akkuja niitä voidaan ladata yhä uudestaan lähes loputtomiin.

Tutkijat uskovat kuitenkin, että pienillä säädöillä tiilikondensaattorin energiatiheys voidaan kymmenkertaistaa. Jos se toteutuu, superkondensaattorit ovat todellinen vaihtoehto akuille.

TAUSTAA: Siirtymä päästöttömään energiaa riippuu akuista

  • Miksi akut ovat niin tärkeitä?

    Jotta ilmastonmuutosta voidaan jarruttaa, on siirryttävä fossiilisista polttoaineista päästöttömiin energianlähteisiin, kuten maalämpöön ja vesi-, tuuli- ja aurinkovoimaan. Monien päästöttömien energianlähteiden ongelma vain on se, että niiden tuotantoa ei voida säädellä. Ne tuottavat sähköä silloin, kun aurinko paistaa, tuuli puhaltaa jne. Siksi tuotettua sähköä pitäisi voida varastoida niiden päivien varalle, jolloin sähköä ei voida tuottaa. Usein sähköä pitäisi myös voida kuljettaa paikkoille, jotka eivät ole siirtoverkon lähistöllä.

  • Mikä on suurin pulma akkutekniikassa?

    Hinta. Jotta akkuja voitaisiin käyttää laajamittaisesti asunnoissa, autoissa ja muualla, niiden pitäisi olla paljon nykyistä halvempia. USA:n energiaministeriön laskelmien mukaan sähköautot voivat kilpailla bensa-autojen kanssa sitten, kun akun hinnan ja kapasiteetin suhde on 125 dollaria kilowattituntia kohti. Nykyisin suhde on noin 156 dollaria kilowattituntia kohti. Helpoin tapa alentaa akun hintaa on lisätä akkuun mahtuvan sähkön määrää eli energiatiheyttä.

  • Mitkä akut ovat lupaavimpia?

    Nykyisistä akkutyypeistä paras energiatiheys on litiumioniakuilla. Ne ovatkin suosituimpia akkuja. Litiumioniakkujen energiatiheys riippuu siitä, mistä aineesta niiden elektrodit on valmistettu. Nykyisin anodit eli positiiviset elektrodit tehdään usein kuparista ja grafiitista. Jos ne voitaisiin tehdä puhtaasta litiumista, energiatiheys voisi kymmenkertaistua. Litiumanodeilla on kuitenkin taipumus turvota, mikä voi johtaa oikosulkun ja jopa akun räjähtämiseen. Kehitteillä on nanoteknisiä ratkaisuja, joilla anodi voitaisiin vakauttaa, mutta ne ovat toistaiseksi liian kalliita sarjatuotantoon. Akkutekniikan kehittäminen onkin usein tasapainottelua hinnan kanssa. Kehitystä kuitenkin tapahtuu koko ajan.

  • Miltä akkujen tulevaisuus näyttää?

    Litiumioniakkujen hinta on laskenut 90 prosenttia vuodesta 2010. Lisäksi Yhdysvalloissa on arviolta kolme kertaa niin paljon akkutekniikan tutkijoita kuin kymmenen vuotta sitten. Uusiutuivan energian ja akkujen kysyntä kasvaa koko ajan, ja uusia innovaatioita syntyy jatkuvasti. Joidenkin arvioiden mukaan akkujen hinta-kapasiteettisuhde on jo vuonna 2030 enää 62 dollaria kilowattituntia kohti . Silloin muiden energiamuotojen on jo vaikea kilpailla akkujen kanssa.

Lue myös:

Aurinkokennot

Käänteinen aurinkopaneeli tuottaa sähköä yöllä

8 minuuttia
Energia

Fuusioreaktori valmistuu ehkä jo vuonna 2030

3 minuuttia
Aurinkokennot

Aurinkokenno tekee sähköä keinovalosta

3 minuuttia

Kirjaudu sisään

Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
Näytä Piilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!

Nollaa salasana

Syötä sähköpostiosoitteesi, niin saat ohjeet salasanasi nollaamiseksi.
Tarkista sähköpostiosoite

Tarkista sähköpostisi

Olemme lähettäneet sinulle sähköpostia osoitteeseen . Siinä on ohjeet, joiden avulla voit nollata salasanasi. Jos et ole saanut sähköpostia, tarkista, että se ei ole joutunut roskapostin joukkoon.

Anna uusi salasana.

Nyt sinun pitää antaa uusi salana. Salasanassa pitää olla vähintään 6 merkkiä. Kun olet luonut uuden sanasanan, sinua pyydetään kirjautumaan sisään palveluun.

Salasana vaaditaan
Näytä Piilota