Nanokwiaty poprawiają ultrakondensatory

Wyobraź sobie baterię do telefonu komórkowego, która ładuje się w kilka sekund i której nigdy nie będziesz musiał wymieniać. Taką obietnicę mają urządzenia do przechowywania energii znane jako ultrakondensatory, ale obecnie mogą one przechowywać tylko około 5 procent energii w porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych. Postęp dokonany przez naukowców z Research Institute of Chemical Defense w Chinach może zwiększyć zdolność ultrakondensatorów do magazynowania energii.

Moc nanokwiatów: Obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego pokazuje nanocząsteczkę tlenku manganu w kształcie kwiatu osadzoną na styku skrzyżowanych nanorurek węglowych. Wykorzystywany jako materiał elektrodowy, ten kompozyt nanorurek, tlenku manganu i manganu może poprawić zdolność ultrakondensatorów do magazynowania energii, obiecujących jako potężne i trwałe zamienniki baterii.

Kondensator składa się z dwóch elektrod o przeciwnych ładunkach, często oddzielonych izolatorem, który zapobiega przeskakiwaniu elektronów bezpośrednio między nimi. Naukowcy opracowali elektrodę, która może przechowywać dwa razy więcej ładunku niż elektrody z węglem aktywnym stosowane w obecnych ultrakondensatorach. Nowa elektroda zawiera nanocząsteczki tlenku manganu w kształcie kwiatu osadzone na pionowo ułożonych nanorurkach węglowych.

Elektrody dostarczają pięć razy więcej mocy niż elektrody z węglem aktywnym, mówi Hao Zhang, główny autor publikacji Litery nano artykuł opisujący nową pracę. Jak mówi Zhang, żywotność elektrody jest porównywalna z żywotnością elektrod z węglem aktywnym: 20 000 razy rozładowywanie i ładowanie elektrod zmniejszyło pojemność magazynowania energii przez kondensator tylko o 3%.

W typowym ultrakondensatorze dwie elektrody aluminiowe są zawieszone w elektrolicie. Napięcie przyłożone do elektrod oddziela jony dodatnie i ujemne w elektrolicie, które są przyciągane do przeciwnie naładowanych elektrod. Ile energii może zmagazynować ultrakondensator w dużej mierze zależy od powierzchni elektrod: im większa powierzchnia, tym więcej miejsca do przechowywania ładunku. Powlekanie elektrod węglem aktywnym zwiększa ich powierzchnię, ponieważ łyżeczka porowatego, gąbczastego materiału ma mniej więcej powierzchnię boiska piłkarskiego. Ultrakondensatory mogą przechowywać miliony razy więcej energii niż maleńkie kondensatory stosowane w obwodach elektronicznych.

Ale ich wydajność wciąż blednie w porównaniu z bateriami, które przechowują energię za pomocą reakcji chemicznych. Gdybym dał ci telefon komórkowy z baterią ultrakondensatorową, nigdy byś nie wymienił baterii i mógłbyś ją naładować w kilka sekund, ale wystarczyłoby to tylko na pół godziny, mówi Joel Schindall , profesor elektrotechniki na MIT.

Do tej pory ultrakondensatory były ograniczone do zastosowań niszowych, które wymagają dużej mocy i szybkiego, powtarzalnego ładowania. Na przykład, na krótkich odcinkach urządzenia zapewniają szybkie przypływy energii do autobusów, ciężarówek i lekkich pociągów, a hamowanie je uzupełnia. Gdyby jednak mogły magazynować więcej energii, mogłyby być potężnym, długotrwałym zamiennikiem baterii w pojazdach hybrydowo-elektrycznych i przenośnej elektronice.

Naukowcy od dawna starali się zwiększyć magazynowanie energii w ultrakondensatorach poprzez udoskonalenie konstrukcji elektrod. Schindall i jego koledzy próbują stworzyć elektrody pokryte nanorurek węglowych, które mają większą powierzchnię niż węgiel aktywny i są doskonałymi przewodnikami. Inne grupy badawcze wykorzystują lepsze materiały do ​​przechowywania ładunku, takie jak tlenek manganu i polimery przewodzące.

Nowa elektroda łączy w sobie zalety tych dwóch metod. Najpierw naukowcy hodują szereg nanorurek węglowych na folii wykonanej z metalowego tantalu, który jest powszechnie stosowany w kondensatorach. Następnie hodują bezpośrednio na macierzy nanocząsteczki w kształcie kwiatu o szerokości 100 nanometrów. Nanorurki rosną mniej więcej pionowo, ale nie są zbyt sztywne i mają tendencję do opadania na siebie. Nanokwiaty rosną głównie na połączeniach wielu nanorurek i mają dużą powierzchnię (236 metrów kwadratowych na gram) w porównaniu z typowymi cząsteczkami tlenku manganu.

Każdy nanokwiatek tlenku manganu jest połączony bezpośrednio z folią tantalową przez dwie lub więcej superautostrad elektronowych, czyli nanorurki węglowe, mówi Gaoping Cao, współkierownik projektu Zhanga. Ta doskonała sieć przewodząca umożliwia wydajny transport ładunków. Kiedy prąd przepływa przez folię tantalową, ładunki są szybko przenoszone do tlenku manganu i przechowywane w nim: elektroda przechowuje dwa razy więcej ładunku niż ta sama objętość węgla aktywnego. Naukowcy twierdzą, że wysoka przewodność nanorurek może również dać im większą moc wyjściową niż obecne ultrakondensatory.

Jak mówi, sposób hodowania tlenku manganu na macierzach nanorurek węglowych jest nowy i wytworzył piękne struktury Jurij Gogotsi , profesor materiałoznawstwa i inżynierii na Uniwersytecie Drexel. Gogotsi twierdzi, że połączenie wysokiej przewodności nanorurek węglowych ze zdolnością tlenku manganu do magazynowania ładunku jest atrakcyjnym podejściem. Dodaje jednak, że nie jest to praktyczne w przypadku dużych ilości, takich jak zastosowania motoryzacyjne, ponieważ użycie macierzy nanorurek węglowych i folii tantalowej powoduje, że są one drogie.

Rzeczywiście, mówi Schindall, koszt może być główną barierą dla ultrakondensatorów z nanostrukturalnymi elektrodami. Znaleźli sposób na hodowlę tych struktur, mówi, ale teraz muszą być w stanie uprawiać je wystarczająco gęsto i ekonomicznie, aby były praktyczne.

ukryć