Diafit – materiał, który może zrewolucjonizować magazynowanie energii

Ładowanie samochodu elektrycznego w takim samym czasie jak tankowanie benzyny? Naukowcy z Politechniki Gdańskiej pracują nad tym, aby jak najefektywniej magazynować i uwalniać energię elektryczną. Wykorzystają do tego diafit, czyli nowy rewolucyjny materiał, który łączy unikatowe właściwości diamentu i grafenu.

Baterie mogą magazynować znaczące ilości energii, ale ich ładowanie zajmuje dużo czasu. Z kolei kondensatory można ładować bardzo szybko, ale magazynują ograniczoną ilość energii. Naukowcy z Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej oraz Uniwersytetu Hasselt w Belgii i we współpracy z naukowcami z California Institute of Technology (Caltech) w USA zamierzają połączyć zalety obu tych rozwiązań. Przeprowadzą badania nad diafitem, czyli hybrydowym materiałem, który powstaje w wyniku połączenia dwóch form węgla: diamentu i grafenu. Posiada on unikalne właściwości, które czynią go szczególnie obiecującym w obszarze magazynowania energii – nadzwyczajną trwałość diamentu oraz przewodnictwo elektryczne grafenu.

–  Struktury diafitowe mają wyższe przewodności niż struktury grafenowe, co potencjalnie pozwala na to, by materiał ten ładować szybciej. Co więcej, jest on bardziej stabilny i nie degraduje tak, jak inne struktury – tłumaczy prof. Robert Bogdanowicz z Katedry Metrologii i Optoelektroniki na WETI PG kierownik projektu.

Struktury tysiące razy mniejsze niż ludzki włos

Naukowcy z Belgii w ramach projektu przeprowadzą zaawansowane badania obrazowe oraz analizy kinetyczne magazynowania ładunku w strukturach diafitowych. Badaniami pokieruje tam prof. Nianjun Yang. Natomiast sam materiał będzie wytwarzany w laboratorium na Politechnice Gdańskiej. Tu też zostaną przeprowadzone badania strukturalne elektrochemiczne i elektroniczne. Badania symulacyjne oraz planowanie parametrów z użyciem narzędziami sztucznej inteligencji Gdańska grupa będzie realizować we współpracy z grupą prof. W.A. Goddarda z Caltechu.

– Poprzez precyzyjną inżynierię tego materiału w nanoskali, a więc pracując ze strukturami tysiące razy mniejszymi niż ludzki włos, chcemy przebadać struktury diafitowe i na tej bazie diagnostycznej zbudować model takiego materiału. Proces syntezy będziemy częściowo wspierać narzędziami sztucznej inteligencji – mówi prof. Bogdanowicz. – Wyjątkowość naszego podejścia polega na wykorzystaniu zaawansowanych technik wytwarzania, w tym zaawansowanej technologii plazmowej i laserów, do tworzenia precyzyjnie kontrolowanych struktur. Zbadamy również, czy dodawanie niewielkich ilości innych pierwiastków, takich jak bor czy azot, może poprawić wydajność materiału.

Dłuższa praca baterii w urządzeniach

– Liczymy na to, że nasze badania przyniosą przełom w zrozumieniu działania hybrydowych materiałów łączących diament z grafenem i sposobu ich efektywnej produkcji. Ta wiedza będzie kluczowa dla rozwoju urządzeń magazynujących energię nowej generacji, które mogą zmienić sposób, w jaki wykorzystujemy i przechowujemy energię w życiu codziennym – podkreśla prof. Bogdanowicz.

Jak przewidują naukowcy, opracowanie takich materiałów może w przyszłości doprowadzić np. do skrócenia czasu ładowania pojazdów elektrycznych do czasu, w jakim tankujemy benzynę, wydajniejszego magazynowania energii odnawialnej z elektrowni słonecznych i wiatrowych, czy mniejszych i mocniejszych urządzeń elektronicznych z dłuższym czasem pracy baterii.

Projekt „Inżynieria heterodomieszkowanych nanostruktur diafitowych wspomagana symulacjami do zastosowań mikroenergoelektronicznych” otrzymał dofinansowanie w ramach konkursu Narodowego Centrum Nauki OPUS 28+LAP/Weave na badania realizowane we współpracy dwustronnej polsko-beligijskiej. Dofinansowanie dla PG wynosi prawie 1,5 mln zł. Badania po stronie belgijskiej finansuje tamtejsza agencja.

Diamentowy zespół z Gdańska

Rozwiązania dla energetyki to jeden z obszarów badawczych, którymi zajmuje się kierowany przez prof. Roberta Bogdanowicza zespół badawczy działający na Politechnice Gdańskiej. Jest to jedyny zespół w Polsce, który prowadzi badania nad półprzewodnikowymi diamentami i możliwościami ich wykorzystania, m.in. w diagnostyce medycznej i środowiskowej nowej generacji, np. w wykrywaniu i utylizacji problematycznych związków w oczyszczalniach ścieków, elektronice, optoelektronice, chemii, czy analityce badawczej. Wyniki ich badań publikowane są w renomowanych czasopismach naukowych.