Використання суперконденсаторів на основі вертикально вирощеного графену для декарбонізації комунальної енергетики

Abstract

The work is devoted to the critical problem of stabilizing power grids in the conditions of accelerated implementation of renewable energy sources, such as solar and wind generation. The variability of renewable energy sources requires energy storage technologies for the needs of municipal energy. Traditional lithium-ion batteries, despite their high energy density, are limited in charge/discharge speed and have insufficient service life for high-cycle utility applications. The aim of the research is to study the potential of supercapacitors on vertically grown graphene as an energy storage solution. Supercapacitors offer extremely high specific power and cyclic durability, which is indispensable for damping peak loads. Vertically grown graphene has a unique 3D nanoarchitecture that maximizes the available surface area and creates open channels for rapid ion transport, which increases both specific capacitance and charge/discharge rate. Despite the technical feasibility, the main barrier to mass adoption is the high initial capital, which significantly exceeds the cost of lithium-ion batteries. However, the low operating costs of supercapacitors and vertically grown graphene-based energy storage technologies ensure a lower overall cost in the long term.

Робота присвячена критичній проблемі стабілізації електромереж в умовах прискореного впровадження відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна та вітрова генерація. Мінливість відновлюваних джерел енергії вимагає технологій накопичення енергії для потреб комунальної енергетики. Традиційні літій-іонні акумулятори, незважаючи на високу щільність енергії, обмежені за швидкістю зарядки/розрядки та мають недостатній термін служби для високоциклічних комунальних застосувань. Мета дослідження полягає у вивченні потенціалу суперконденсаторів на вертикально вирощеному графені, як рішення для накопичення енергії. Суперконденсатори пропонують надзвичайно високу питому потужність та циклічну довговічність, що є незамінним для демпфування пікових навантажень. Вертикально вирощений графен має унікальну 3Dнаноархітектуру, що максимізує доступну площу поверхні та створює відкриті канали для швидкого іонного транспорту, що збільшує як питому ємність, так і швидкість заряду/розряду. Незважаючи на технічну придатність, головним бар'єром для масового впровадження є високий початковий капітал, що значно перевищує вартість літій-іонних акумуляторів. Проте, низькі експлуатаційні витрати технологій накопичення енергії на основі суперконденсаторів та вертикально вирощеного графену забезпечують нижчу загальну вартість у довгостроковій перспективі.