Prvi električni kondenzator zvao se lajdenska boca. Zašto „lajdenska“ jasno je samo po sebi – zato što je izumljena u nizozemskom gradu Leydenu, središtu europske učenosti u kojem je bila valjda najveća knjižnica u Europi, dok je Nijemci nisu u Prvom svjetskom ratu spalili do temelja. A zašto boca? Ne samo zato što je pojavu skladištenja električnog naboja, i s njome povezane veličine električnog kapaciteta, sasvim slučajno baš na boci otkrio 1746. godine profesor fizike Pieter van Musschenbroek, nego još više što se dugo mislilo kako se električni naboj ne može čuvati drugdje nego u boci. A zašto? (Opet jedno „zašto“!)  Zato što su fizičari u to vrijeme mislili da se elektricitet sastoji od nekakvog (električnog) fluida, a u čemu ćeš čuvati fluid (tekućinu, plin…) nego u boci?

No vratimo se kondenzatorima, onima električnima, razumije se. Koliko će u njih naboja stati mjeri se kapacitetom, a ovaj se opet izražava u faradima, F, kulonima po voltu, C/V.  Lajdenska boca – koja je zapravo zračni kondenzator – ima kapacitet, tipično, od 10 nF. Kapacitet kondezatora  koji se koriste u elektrotehnici mjeri se mikrofaradima, dosežući nekoliko milifarada u specijalnoj izvedbi (elektrolitski kondenzator)  – a to je stotinjak tisuća puta više od kapaciteta lajdenske boce! I tu priča staje. No znanost i tehnika ne staju. Mogu li se napraviti kondenzatori još većeg kapaciteta, takvi kaki bi gustoćom energije mogli konkurirati baterijama?

Mogu – ali onda i njihova konstrukcija mora biti slična konstrukciji baterija. I tako dolazimo do ionskih hibridnih kondenzatora. Jedan takav, izvrsnih svojstava, nedavno su napravili, u suradnji, australijski i egipatski znanstvenici. Rezultate njihovih istraživanja nalazimo u ovogodišnjem izdanju časopisa Applied Materials Today.

Naslov govori sve: „Engineering of high-performance potassium-ion capacitators using polyaniline-derived N-doped carbon nanotubes anode and laser scribed graphene oxide cathode“. Kao prvo, za skladištenje (pozitivnih) naboja služi jeftini kalij („potassium-ion capacitators“) umjesto uobičajenog skupog litija. I anoda i katoda napravljene su od nekog, no svaka od drugog oblika ugljika. Anoda se sastoji od ugljikovih nanocjevćica koje su modificirane („doped“) dušikom kako bi mogle vezati kalijeve ione. Katoda je pak izgrađena od specijalno obrađenog grafena (laser scribed graphene,  LSG).  Zbog toga može za sebe vezivati negativne ione fosforova heksafluorida, ili – kemijski korektnije rečeno – heksafluorofosfat, PF₆^-. Oba elektrodna materijala omogućuju ne samo brz prijenos elektrona nego i laku difuziju iona.

Princip rada kondenzatora je jednostavan. Kada se izbija, elektroni prelaze sa PF₆^-  na K⁺, pretvarajući ih u PF₆ (fosforov heksafluorid) i elementarni, metalni kalij, K (a kod nabijanja kondenzatora događa se, naravno, obratni proces). Zato što je tu očito riječ o redoks reakcijama, kakve se neminovno događaju na elektrodama svake baterije, takav se kondenzator  zove „hibridni“. Razlika između hibridnog kondenzatora i galvanskog članka (električne baterije) je u tome što u kondenzatoru putuju samo elektroni, dok u galvanskom članku putuju i ioni.

Zahvaljujući naročitom materijalu od kojeg su elektrode napravljene, a posebice anoda – od 200 nm širokih nanocjevćica (nitrogen-doped nanotubes, N-CNTs) napravljeni su kondenzatori izuzetnih svojstava. Njihov izmjereni specifični kapacitet pri najnižoj gustoći struje (0,08 A/g)  iznosio je 78 F/g,  što odgovara specifičnom naboju od 82 mAh/g. Pri višim gustoćama struje te su se veličine smanjile na 58 F/g  i 62 mAh/g  – i takve ostale  praktički nepromijenjene i nakon pet tisuća ciklusa punjena i pražnjena. (Točnije, nakon toliko ciklusa kondenzator je izgubio samo 8 % početnog kapaciteta.)

Sve je to lijepo, no koliko iznosi onaj najvažniji parametar, gustoća energije? U usporedbi s drugim hibridnim (super)kondenzatorima, uređaj australijskih i egipatskih znanstvenika je besumnje najbolji, jer daje u u cijelom području ispitivane specifične snage (100 – 1000 W/kg) najveću specifičnu energiju –  no ona iznosi samo 46,7 do 65 Wh/kg, što je daleko manje od gustoće energije litij-ionskih baterija (no ipak je bolje od olovnog akumulatora). Stoga su uzaludna nadanja protivnika baterija –  glas kojih se čuje i na ovom forumu –  jer, kažu, kako bi znanstvenici mogli konačno „izmisliti nešto bolje“ za skladištenje energije od akumulatorske baterije. No teško je reći da će kondenzatori ikada nadmašiti baterije: kada je Alessandro Volta krajem 18. stoljeća napravio prvu električnu bateriju, Voltin stup, hvalio se kako je njome dobio „neograničeni izvor elektriciteta“. Neograničen? Da, doista neograničen u usporedbi s lajdenskom bocom!

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je doktor prirodnih znanosti iz područja kemije, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Do umirovljenja radio je u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI)  baveći se bioanorganskom i teorijskom (računalnom) kemijom. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti surađujući u mnogim časopisima i revijama (Priroda, ABC tehnike, Čovjek i svemir, Modra lasta, Smib, Fokus). Napisao je više od dvije tisuće znanstveno-popularnih članaka, 13 znanstveno-popularnih knjiga te u koautorstvu dva sveučilišna udžbenika iz područja dizajniranja lijekova. Sada piše za mrežne stranice  Zg-magazina te za časopis Čovjek i svemir te, naravno, za BUG online. U časopisu Kemija u industriji je stalni komentator te  urednik rubrike „Kemija u nastavi“. Godine 2003. dodijeljena mu je Državna godišnja nagrada za promidžbu i popularizaciju znanosti.