211service.com
Nanopuķes uzlabo ultrakondensatorus
Iedomājieties mobilā tālruņa akumulatoru, kas uzlādējas dažu sekunžu laikā un kas jums nekad nebūtu jāmaina. Tas ir solījums enerģijas uzglabāšanas ierīcēm, kas pazīstamas kā ultrakondensatori, taču pašlaik tās var uzglabāt tikai aptuveni 5 procentus tik daudz enerģijas kā litija jonu akumulatori. Ķīmiskās aizsardzības pētniecības institūta (Ķīnas) pētnieku panākumi varētu palielināt ultrakondensatoru spēju uzglabāt enerģiju.
Nanopuķu jauda: Transmisijas elektronu mikroskopa attēlā redzama ziedam līdzīga mangāna oksīda nanodaļiņa, kas nogulsnēta krustotu oglekļa nanocauruļu krustojumā. Šis nanocaurules-mangāna-oksīda kompozīts, ko izmanto kā elektrodu materiālu, varētu uzlabot ultrakondensatoru enerģijas uzkrāšanas spēju, kas ir daudzsološs kā jaudīgs, ilgstošs akumulatoru aizstājējs.
Kondensators sastāv no diviem elektrodiem ar pretējiem lādiņiem, kurus bieži atdala izolators, kas neļauj elektroniem lēkt tieši starp tiem. Pētnieki ir izstrādājuši elektrodu, kas var uzglabāt divreiz vairāk lādiņu nekā aktīvās ogles elektrodi, ko izmanto pašreizējos ultrakondensatoros. Jaunais elektrods satur ziedu formas mangāna oksīda nanodaļiņas, kas nogulsnētas uz vertikāli audzētām oglekļa nanocaurulēm.
Elektrodi nodrošina piecas reizes vairāk enerģijas nekā aktīvās ogles elektrodi, saka Hao Džans, pētījuma galvenais autors. Nano burti papīrs, kurā aprakstīts jaunais darbs. Džans saka, ka elektrodu ilgmūžība ir salīdzināma ar aktīvās ogles elektrodu ilgmūžību: elektrodu izlāde un uzlādēšana 20 000 reižu samazināja kondensatora enerģijas uzglabāšanas jaudu tikai par 3 procentiem.
Tipiskā ultrakondensatorā divi alumīnija elektrodi ir suspendēti elektrolītā. Elektrodiem pievadīts spriegums elektrolītā atdala pozitīvos un negatīvos jonus, kas tiek piesaistīti pretēji lādētiem elektrodiem. Cik daudz enerģijas var uzglabāt ultrakondensators, lielā mērā ir atkarīgs no elektrodu virsmas laukuma: jo vairāk laukuma, jo vairāk vietas lādiņa uzglabāšanai. Elektrodu pārklāšana ar aktivēto ogli palielina to virsmas laukumu, jo tējkarotei porainā, sūkļveida materiāla ir aptuveni futbola laukuma virsmas laukums. Ultrakondensatori var uzglabāt miljoniem reižu vairāk enerģijas nekā mazie kondensatori, ko izmanto elektroniskajās shēmās.
Taču to veiktspēja joprojām ir bāla līdzās baterijām, kas uzglabā enerģiju, izmantojot ķīmiskas reakcijas. Ja es jums iedotu mobilo tālruni ar ultrakondensatora akumulatoru, jūs nekad nemainītu akumulatoru, un jūs varētu to uzlādēt dažu sekunžu laikā, taču tas kalpotu tikai pusstundu, saka. Džoels Šindals , elektroinženieru profesors MIT.
Līdz šim ultrakondensatori ir aprobežoti ar nišas lietojumprogrammām, kurām nepieciešama liela jauda un ātra, atkārtota uzlāde. Piemēram, ierīces nodrošina ātru autobusu, kravas automašīnu un vieglā dzelzceļa vilcienu strāvas padevi īsos posmos, un bremzēšana tos papildina. Tomēr, ja tie varētu uzglabāt vairāk enerģijas, tie varētu būt jaudīgs, ilgstošs akumulatoru aizstājējs hibrīdelektriskajos transportlīdzekļos un pārnēsājamās elektronikas ierīcēs.
Pētnieki jau sen ir centušies palielināt enerģijas uzglabāšanu ultrakondensatoros, uzlabojot elektrodu konstrukciju. Šindāls un viņa kolēģi mēģina izgatavot elektrodus, kas pārklāti ar oglekļa nanocaurulēm, kuriem ir lielāks virsmas laukums nekā aktivētajai oglei un kuri ir lieliski vadītāji. Citas pētniecības grupas izmanto labākus lādiņu uzglabāšanas materiālus, piemēram, mangāna oksīdu un vadošus polimērus.
Jaunais elektrods apvieno šo divu metožu priekšrocības. Pirmkārt, pētnieki audzē oglekļa nanocaurules uz folijas, kas izgatavota no metāla tantala, ko parasti izmanto kondensatoros. Tad tie audzē 100 nanometrus platas zieda formas nanodaļiņas tieši uz masīva. Nanocaurules aug vairāk vai mazāk vertikāli, taču tās nav ļoti stingras un mēdz krist viena otrai pāri. Nanoziedi aug galvenokārt vairāku nanocauruļu krustojumos, un tiem ir liela virsma (236 kvadrātmetri uz gramu), salīdzinot ar tipiskām mangāna oksīda daļiņām.
Katrs mangāna oksīda nanozieds ir tieši savienots ar tantala foliju ar diviem vai vairākiem elektronu lielceļiem, oglekļa nanocaurulēm, saka Gaoping Cao, Džanas projekta vadītājs. Šis izcilais vadošais tīkls nodrošina efektīvu lādiņu transportēšanu. Kad strāva plūst caur tantala foliju, lādiņi ātri tiek pārnesti un uzglabāti mangāna oksīdā: elektrods uzglabā divreiz vairāk lādiņa nekā tāds pats aktīvās ogles tilpums. Pētnieki saka, ka nanocauruļu augstā vadītspēja varētu dot tām lielāku jaudu nekā pašreizējiem ultrakondensatoriem.
Mangāna oksīda audzēšanas veids oglekļa nanocauruļu blokos ir jauns un ir radījis skaistas struktūras, saka Jurijs Gogotsi , Dreksela universitātes materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors. Gogotsi saka, ka oglekļa nanocauruļu augstās vadītspējas apvienošana ar mangāna oksīda uzlādes spēju ir pievilcīga pieeja. Taču viņš piebilst, ka tas nav praktiski lieliem apjomiem, piemēram, automobiļu lietojumiem, jo oglekļa nanocauruļu bloku un tantala folijas izmantošana padara tos dārgus.
Patiešām, saka Šindāls, izmaksas varētu būt galvenais šķērslis ultrakondensatoriem ar nanostrukturētiem elektrodiem. Viņš saka, ka viņi ir atraduši veidu, kā šīs struktūras audzēt, taču tagad viņiem ir jāspēj tās audzēt pietiekami blīvi un pietiekami ekonomiski, lai tās būtu praktiski.