211service.com
Milowy krok w projektowaniu baterii
Koncepcja cyfrowej baterii kwantowej zaproponowana przez fizyka z University of Illinois w Urbana-Champaign może zapewnić radykalny wzrost pojemności magazynowania energii – jeśli po zbudowaniu osiągnie ona swój teoretyczny potencjał.
Koncepcja wymaga miliardów kondensatorów w nanoskali i polegałaby na efektach kwantowych – dziwnych zjawiskach zachodzących w skali wielkości atomowej – w celu zwiększenia magazynowania energii. Konwencjonalne kondensatory składają się z jednej pary płytek przewodzących w skali makro lub elektrod, oddzielonych materiałem izolacyjnym. Przyłożenie napięcia wytwarza pole elektryczne w materiale izolacyjnym, magazynując energię. Ale wszystkie takie urządzenia mogą utrzymać tylko tyle ładunku, poza którym pojawia się łuk między elektrodami, marnując zmagazynowaną energię.
Gdyby zamiast tego kondensatory były budowane jako macierze w nanoskali – co najważniejsze, z elektrodami oddalonymi od siebie o około 10 nanometrów (lub 100 atomów) – efekty kwantowe powinny tłumić takie wyładowania łukowe. Od lat naukowcy zauważają, że kondensatory w nanoskali wykazują niezwykle duże pola elektryczne, co sugeruje, że niewielka skala urządzeń była odpowiedzialna za zapobieganie utracie energii. Ale ludzie nie zdawali sobie sprawy, że duże pole elektryczne oznacza dużą gęstość energii i może być wykorzystywane do magazynowania energii, która znacznie przewyższa wszystko, co mamy dzisiaj, mówi Alfred Hubler, fizyk z Illinois i główny autor książki. papier zarys koncepcji, do publikacji w czasopiśmie Złożoność .
Hubler twierdzi, że uzyskana gęstość mocy (prędkość, z jaką energia może być magazynowana lub uwalniana) może być o rząd wielkości większa, a gęstość energii (ilość energii, którą można zmagazynować) od 2 do 10 razy większą niż jest to możliwe w przypadku najlepszego dzisiejszego litu -jonów i innych technologii akumulatorowych.
Co więcej, cyfrowe baterie kwantowe można by wytwarzać przy użyciu istniejących litograficznych technologii produkcji chipów przy użyciu tanich, nietoksycznych materiałów, takich jak żelazo i wolfram, na podłożu krzemowym, mówi. Powstałe w ten sposób urządzenia w zasadzie nie marnowałyby energii lub nie marnowały jej wcale, ponieważ absorbowały i uwalniały elektrony. Hubler twierdzi, że możliwe jest zbudowanie prototypu na stole w ciągu jednego roku.
Dziś jednak cyfrowe baterie kwantowe są jedynie zgłoszoną do opatentowania koncepcją badawczą. Hubler złożył wniosek o finansowanie przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony na opracowanie takiego prototypu, ale koncepcja ta stwarza poważne wyzwania. Nie jest jasne, czy materiały nanofabrykowane nie uległyby rozkładowi po załadowaniu energią, mówi Joel Schindall , profesor elektrotechniki na MIT.
Ale Schindall mówi również, że koncepcja ma swoje zalety. Jestem ostrożnie zaintrygowany, ponieważ ma pewne uzasadnione argumenty przemawiające za tym, że w tych wymiarach kwantowych przewiduje się, że efekt magazynowania energii przynajmniej znacznie wzrośnie, mówi Schindall. Pierwsze wyzwanie brzmi: czy jego założenia są poprawne, czy też są jakieś inne zjawiska, na które nie zwracano uwagi, które przeszkadzają?
Pod pewnymi względami koncepcja ta stanowi odmianę istniejących urządzeń mikro- i nanoelektronicznych. Jeśli spojrzysz na to z perspektywy elektroniki cyfrowej – to tylko pendrive, mówi Hubler. Jeśli spojrzysz na to z perspektywy elektrotechniki, powiedziałbyś, że są to zminiaturyzowane lampy próżniowe, jak w telewizorach plazmowych. Jeśli rozmawiasz z fizykiem, to jest to sieć kondensatorów.
Cyfrowa część koncepcji wywodzi się z faktu, że każda rurka nanowakuum byłaby indywidualnie adresowana. Z tego powodu urządzenia mogłyby być również wykorzystywane do przechowywania danych.
Istnieją inne metody zwiększania wydajności kondensatorów. Zaawansowane wersje, zwane ultrakondensatorami, mogą magazynować znaczną ilość energii i działać szybciej dzięki zwiększeniu powierzchni elektrod i zastosowaniu elektrolitu. Grupa Schindalla zwiększyła szybkość ładowania i rozładowania oraz pojemność magazynową tradycyjnych ultrakondensatorów, stosując nanorurki węglowe zamiast węgla aktywnego na powierzchni elektrody. Zasadniczo zwiększa to powierzchnię elektrody.
Zalety projektu Schindalla – zwiększona moc wyjściowa i gęstość energii – mogą mieć kluczowe znaczenie w zastosowaniach takich jak szybkie wchłanianie ogromnych impulsów energii z pola turbin wiatrowych lub paneli słonecznych. Ponadto jego zespół zbudował urządzenie stacjonarne. Minusem jest to, że gęstość energii danej masy materiału byłaby nadal nieco niższa niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych.
Chociaż Hubler jeszcze niczego nie zbudował, zauważa, że w 2005 roku grupa koreańskich badaczy wykazała, że można wyprodukować kondensatory w nanoskali. Jednak urządzenie Hublera nadal wymagałoby miliardów, a nawet bilionów takich urządzeń.
Całkowicie zgadzam się, że rozpaczliwie potrzebujemy nowych sposobów przechowywania energii elektrycznej, mówi Schindall. Choć może to konkurować z tym, co robię, życzę mu największych sukcesów i mam nadzieję, że zadziała.