Nanokondensatory z dużym magazynowaniem energii

Najlepsze elektroniczne urządzenie do przechowywania energii mogłoby przechowywać mnóstwo energii, ale także szybko się ładować i w razie potrzeby zapewniać potężne impulsy. Niestety, dzisiejsze urządzenia potrafią tylko jedno lub drugie: kondensatory zapewniają wysoką moc, a baterie zapewniają wysoką pojemność.

Moc nanoporów: Macierze kondensatorów wbudowanych w nanopory są pokazane tutaj na obrazie ze skaningowego mikroskopu elektronowego, na którym nałożona jest ilustracja przedstawiająca ich konstrukcję. Pory są wytrawione w podłożu aluminiowym (ciemnożółty). Kondensatory tworzą dwie cienkie warstwy metalu (niebieski) oddzielone warstwą materiału izolacyjnego (jasnożółty).

Teraz naukowcy z University of Maryland opracowali rodzaj kondensatora, który łączy te cechy. Badania są na wczesnym etapie, a urządzenie będzie musiało zostać powiększone, aby było praktyczne, ale wstępne wyniki pokazują, że może zmagazynować 100 razy więcej energii niż poprzednie urządzenia tego typu. Docelowo takie urządzenia mogłyby magazynować skoki energii ze źródeł odnawialnych, takich jak wiatr, i w razie potrzeby przesyłać tę energię do sieci elektrycznej. Mogłyby również zasilać samochody elektryczne, które ładują się w czasie potrzebnym do napełnienia baku, zamiast sześciu do ośmiu godzin, które potrzeba im na naładowanie dzisiaj.

Istnieje wiele różnych rodzajów baterii i kondensatorów, ale ogólnie baterie mogą przechowywać duże ilości energii, ale mają tendencję do powolnego ładowania i szybkiego zużycia. Tymczasem kondensatory mają dłuższą żywotność i mogą się szybko rozładowywać, ale przechowują znacznie mniej całkowitej energii. Elektrochemicy i inżynierowie pracują nad rozwiązaniem tego problemu z magazynowaniem energii, zwiększając moc akumulatorów i zwiększając pojemność kondensatorów.

Śpiewał bok lee , profesor chemii i Gary Rubloff , profesor inżynierii i dyrektor Maryland NanoCentrum , stworzyli nanostrukturalne macierze kondensatorów elektrostatycznych. Kondensatory elektrostatyczne to najprostszy rodzaj elektronicznego urządzenia do przechowywania energii, mówi Rubloff. Przechowują ładunek elektryczny na powierzchni dwóch metalowych elektrod oddzielonych materiałem izolacyjnym; ich pojemność magazynowa jest wprost proporcjonalna do pola powierzchni tych warstwowych elektrod. Badacze ze stanu Maryland zwiększyli pojemność swoich kondensatorów, stosując nanowytwarzanie w celu zwiększenia ich całkowitej powierzchni. Ich elektrody działają w taki sam sposób, jak te znajdujące się w konwencjonalnych kondensatorach, ale zamiast być płaskie, mają kształt rurowy i są schowane głęboko w nanoporach.

Proces produkcji rozpoczyna się od szklanej płyty pokrytej aluminium. Pory są wytrawiane w płytce przez potraktowanie jej kwasem i przyłożenie napięcia. Dzięki starannej kontroli warunków reakcji możliwe jest wykonanie bardzo regularnych układów maleńkich, ale głębokich porów, każdy o średnicy zaledwie 50 nanometrów i głębokości do 30 mikrometrów. Proces jest podobny do tego używanego do tworzenia układów pamięci. Następnie nakładasz bardzo cienką warstwę metalu, potem cienką warstwę izolatora, a następnie kolejną cienką warstwę metalu w te pory, mówi Rubloff. Te trzy warstwy działają jak elektrody i warstwa izolacyjna nanokondensatorów. Na wierzchu urządzenia znajduje się warstwa aluminium, która służy jako jeden styk elektryczny; drugi kontakt jest wykonany z leżącą pod spodem warstwą aluminium.

Ta fraktalna struktura znacznie zwiększa powierzchnię, mówi Joel Schindall , zastępca dyrektora MIT Laboratorium Układów Elektromagnetycznych i Elektronicznych , który nie był zaangażowany w pracę.

W artykule opublikowanym online w tym tygodniu w czasopiśmie Natura Nanotechnologia , grupa z Maryland opisuje tworzenie macierzy o szerokości 125 mikrometrów, z których każda zawiera milion nanokondensatorów. Pole powierzchni każdej matrycy jest 250 razy większe niż w przypadku konwencjonalnego kondensatora o porównywalnej wielkości. Pojemność pamięci macierzy wynosi około 100 mikrofaradów na centymetr kwadratowy.

Ale powierzchnia nie jest jedynym wyznacznikiem gęstości energii. Nanokondensatory grupy Maryland korzystają również z bardzo małej odległości między ich elektrodami, a praca jest pod tym względem wyjątkowa, mówi Robert Hebner , dyrektor Centrum Elektromechaniki na Uniwersytecie Teksańskim w Austin. Hebner nie był zaangażowany w badania Maryland.

Jeśli elektrody są daleko od siebie, podobne ładunki na ich powierzchniach silnie się odpychają. Kiedy elektrody są umieszczone bliżej siebie, ujemne i dodatnie ładunki po obu stronach równoważą te siły odpychania i więcej całkowitego ładunku można zmagazynować w danym obszarze. Całkowita grubość każdego nanokondensatora wynosi zaledwie 25 nanometrów, a ładunki mogą się upakować bardzo blisko siebie. To imponujące, mówi Hebner. Mam nadzieję, że uda im się to zwiększyć.

Jak dotąd macierze nanokondensatorów nie mogą przechowywać dużej ilości całkowitej energii, ponieważ są tak małe. Zamiast robić te małe kropki, chcemy stworzyć duży obszar zawierający miliardy nanokondensatorów do przechowywania dużych ilości energii, mówi Lee. Zarówno on, jak i Rubloff twierdzą, że skalowanie do praktycznego poziomu nie jest trywialne, ale para pracuje razem, aby tworzyć większe tablice. Istnieje wiele problemów związanych ze skalowaniem, mówi Rubloff. Przyjrzymy się, jak duże możemy je powiększyć i nadal działać.

Nawet jeśli ten problem zostanie rozwiązany, nadal będą musieli upewnić się, że mogą skutecznie łączyć ze sobą wiele macierzy. Ale Hebner mówi, że ten problem nie jest nierozwiązywalny i wskazuje na urządzenia dostępne na rynku, w tym czułe detektory magnetyczne, które z powodzeniem przezwyciężają podobne problemy z łącznością.

Jedną z zalet nowej metody wytwarzania jest możliwość dokładnej kontroli wymiarów nanoporów oraz odpowiednich grubości elektrody i izolatora. Regularność i jednolitość są kluczowe dla skalowania nanotechnologii do czegoś, co można wyprodukować i komercjalizować, mówi Rubloff. Nadal istnieją poważne przeszkody, ale próbujemy zdecydować, jak to skomercjalizować - zdecydowanie jest to pragnienie.

ukryć