211service.com
Nanokondensatori ar lielas enerģijas krātuvi
Vislabākā elektroniskā enerģijas uzglabāšanas ierīce uzglabātu daudz enerģijas, bet arī ātri uzlādētos un vajadzības gadījumā nodrošinātu jaudīgus pārrāvumus. Diemžēl mūsdienu ierīces spēj paveikt tikai vienu vai otru: kondensatori nodrošina lielu jaudu, bet akumulatori nodrošina lielu atmiņas ietilpību.
Nanopora jauda: Nanoporu iekšpusē iebūvēti kondensatoru bloki šeit ir parādīti skenējošā elektronu mikrogrāfa attēlā, kas pārklāts ar ilustrāciju, kas parāda to dizainu. Poras ir iegravētas alumīnija substrātā (tumši dzeltenā krāsā). Kondensatori veido divus plānus metāla (zilā) slāņus, kas atdalīti ar izolācijas materiāla slāni (gaiši dzeltens).
Tagad Merilendas universitātes pētnieki ir izstrādājuši sava veida kondensatoru, kas apvieno šīs īpašības. Pētījums ir agrīnā stadijā, un ierīce būs jāpalielina, lai tā būtu praktiska, taču sākotnējie rezultāti liecina, ka tā var uzglabāt 100 reizes vairāk enerģijas nekā iepriekšējās šāda veida ierīces. Galu galā šādas ierīces varētu uzglabāt enerģijas pieplūdumu no atjaunojamiem avotiem, piemēram, vēja, un vajadzības gadījumā piegādāt šo enerģiju elektrotīklam. Tie varētu arī darbināt elektromobiļus, kas uzlādējas tik daudz laika, cik nepieciešams degvielas tvertnes uzpildei, nevis sešām līdz astoņām stundām, kas nepieciešamas, lai to uzlādētu šodien.
Ir daudz dažādu veidu akumulatoru un kondensatoru, taču kopumā baterijas var uzglabāt lielu enerģijas daudzumu, taču tām ir tendence lēnām uzlādēties un ātri nolietoties. Tikmēr kondensatoriem ir ilgāks kalpošanas laiks un tie var ātri izlādēties, taču tie uzglabā daudz mazāk kopējās enerģijas. Elektroķīmiķi un inženieri ir strādājuši, lai atrisinātu šo enerģijas uzkrāšanas problēmu, palielinot akumulatoru jaudu un palielinot kondensatoru uzglabāšanas jaudu.
Dziedāja bok lee , ķīmijas profesors un Gerijs Rublofs , inženierzinātņu profesors un direktors Merilendas nanocentrs , radīja nanostrukturētus elektrostatisko kondensatoru blokus. Elektrostatiskie kondensatori ir vienkāršākais elektroniskās enerģijas uzglabāšanas ierīces veids, saka Rubloff. Tie uzglabā elektrisko lādiņu uz divu metāla elektrodu virsmas, kas atdalīti ar izolācijas materiālu; to uzglabāšanas jauda ir tieši proporcionāla šo sviestmaižu veida elektrodu virsmas laukumam. Merilendas pētnieki palielināja savu kondensatoru uzglabāšanas ietilpību, izmantojot nanoražošanu, lai palielinātu to kopējo virsmu. To elektrodi darbojas tāpat kā parastajos kondensatoros, bet tā vietā, lai būtu plakani, tie ir cauruļveida un ievietoti dziļi nanoporās.
Ražošanas process sākas ar stikla plāksni, kas pārklāta ar alumīniju. Poras tiek iegravētas plāksnē, apstrādājot to ar skābi un pieliekot spriegumu. Rūpīgi kontrolējot reakcijas apstākļus, ir iespējams izveidot ļoti regulārus sīku, bet dziļu poru blokus, kuru diametrs ir līdz 50 nanometriem un dziļums līdz 30 mikrometriem. Process ir līdzīgs tam, ko izmanto atmiņas mikroshēmu izgatavošanai. Pēc tam šajās porās ievieto ļoti plānu metāla slāni, pēc tam plānu izolatora slāni un pēc tam vēl vienu plānu metāla slāni, saka Rubloff. Šie trīs slāņi darbojas kā nanokondensatoru elektrodi un izolācijas slānis. Alumīnija slānis atrodas ierīces augšpusē un kalpo kā viens elektriskais kontakts; otrs kontakts ir izveidots ar alumīnija slāni.
Šī fraktāļiem līdzīgā struktūra ievērojami palielina virsmas laukumu, saka Džoels Šindals , MIT asociētais direktors Elektromagnētisko un elektronisko sistēmu laboratorija , kurš nebija iesaistīts darbā.
Šonedēļ žurnālā publicētajā rakstā Dabas nanotehnoloģijas , Merilendas grupa apraksta 125 mikrometru platu bloku izgatavošanu, katrs satur vienu miljonu nanokondensatoru. Katra masīva virsmas laukums ir 250 reizes lielāks nekā parastam salīdzināma izmēra kondensatoram. Masīvu uzglabāšanas jauda ir aptuveni 100 mikrofarādes uz kvadrātcentimetru.
Bet virsmas laukums nav vienīgais enerģijas blīvuma noteicošais faktors. Merilendas grupas nanokondensatori arī gūst labumu no ļoti mazā attāluma starp elektrodiem, un darbs šajā ziņā ir unikāls, saka. Roberts Hebners , direktors Elektromehānikas centrs Teksasas Universitātē Ostinā. Hebners nebija iesaistīts Merilendas pētījumos.
Ja elektrodi atrodas tālu viens no otra, līdzīgi lādiņi uz to virsmām spēcīgi atgrūž viens otru. Kad elektrodi ir novietoti tuvāk viens otram, negatīvie un pozitīvie lādiņi abās pusēs līdzsvaro šos atgrūdošos spēkus, un noteiktā apgabalā var saglabāt lielāku kopējo lādiņu. Katra nanokondensatora kopējais biezums ir tikai 25 nanometri, un lādiņi var būt ļoti tuvu viens otram. Tas ir iespaidīgi, saka Hebners. Es ceru, ka viņi to varēs palielināt.
Līdz šim nanokondensatoru bloki nevar uzglabāt daudz kopējās enerģijas, jo tie ir tik mazi. Tā vietā, lai izveidotu šos mazos punktus, mēs vēlamies izveidot lielu laukumu, kurā ir miljardiem nanokondensatoru, lai uzglabātu lielu enerģijas daudzumu, saka Lī. Gan viņš, gan Rubloff saka, ka mērogošana līdz praktiskajam līmenim nav triviāla, taču pāris strādā kopā, lai izveidotu lielākus masīvus. Rubloff saka, ka ir daudz palielināšanas problēmu. Mēs apskatīsim, cik lielus mēs varam tos izgatavot, un joprojām tie visi darbosies.
Pat ja šī problēma ir atrisināta, viņiem joprojām būs jāpārliecinās, ka viņi var efektīvi savienot vairākus masīvus viens ar otru. Taču Hebners saka, ka šī problēma nav atrisināma, un norāda uz tirgū esošajām ierīcēm, tostarp jutīgiem magnētiskajiem detektoriem, kas veiksmīgi pārvar līdzīgas savienojamības problēmas.
Viena no jaunās ražošanas metodes priekšrocībām ir tā, ka var rūpīgi kontrolēt nanoporu izmērus un attiecīgos elektroda un izolatora biezumus. Rublofs saka, ka regularitāte un viendabīgums ir ļoti svarīgas, lai nanotehnoloģijas palielinātu līdz ražošanai un komercializācijai. Joprojām ir lieli šķēršļi, taču mēs cenšamies izlemt, kā to komercializēt — noteikti ir vēlme to darīt.