211service.com
Nanorurki pobudzają baterie
Akumulator litowo-jonowy z elektrodą dodatnią wykonaną z nanorurek węglowych dostarcza 10 razy więcej energii niż konwencjonalny akumulator i może przechowywać pięć razy więcej energii niż konwencjonalny ultrakondensator. Technologia baterii nanorurek, opracowana przez naukowców z MIT i licencjonowana przez nieujawnioną firmę produkującą baterie, może doprowadzić do powstania baterii, które usprawnią ciężkie pojazdy hybrydowe i umożliwią szybsze ładowanie gadżetów elektronicznych, w tym smartfonów.
Moc nano: Pory między nanorurek na tym obrazie z transmisyjnej mikroskopii elektronowej mogą przechowywać jony litu w akumulatorze o dużej mocy.
Naukowcy próbowali wytwarzać elektrody do akumulatorów litowo-jonowych z nanorurek węglowych, ponieważ ich duża powierzchnia i wysoka przewodność dają nadzieję na poprawę gęstości energii i mocy w porównaniu z konwencjonalnymi formami węgla. Jednak praca z materiałem okazała się trudna – większość metod montażu nanorurek węglowych wymaga środka wiążącego, który obniża przewodność elektrody i prowadzi do tworzenia się grudek materiału, zmniejszając pole powierzchni. Elektrody produkowane przez grupę MIT mają jednak bardzo dużą powierzchnię do przechowywania i reagowania z litem. Ta duża powierzchnia ma kluczowe znaczenie zarówno dla dużej pojemności elektrod, jak i ich dużej mocy: ponieważ lit jest przechowywany na powierzchni, może on szybko wchodzić i wychodzić z elektrody, umożliwiając szybsze ładowanie i rozładowywanie akumulatora .
Kluczem do wydajności elektrod MIT jest proces montażu, w którym powstają gęste, połączone ze sobą, ale porowate filmy z nanorurek węglowych, bez konieczności stosowania jakichkolwiek wypełniaczy. Grupa, kierowana przez profesora inżynierii chemicznej Paula Hammond i profesor inżynierii mechanicznej Yang Shao-Horn , stwórz wodne roztwory nanorurek węglowych poddanych obróbce tak, aby jedna grupa była naładowana dodatnio, a druga ujemnie. Następnie na przemian zanurzają podłoże, takie jak szkiełko, w dwóch roztworach, a nanorurki, przyciągane przez różnice w ich ładunku, przywierają do siebie bardzo silnie w jednolitych, cienkich warstwach. Naukowcy wykazali wcześniej, że po podgrzaniu i usunięciu z podłoża te gęste, ale porowate warstwy mogą gromadzić dużo ładunku i szybko go uwalniać – działając jak elektroda w ultrakondensatorze.
Teraz grupa MIT dostosowała te metody do produkcji elektrod akumulatorowych. Akumulatory litowo-jonowe są ładowane i rozładowywane, gdy jony litu przemieszczają się z jednej elektrody na drugą, napędzając lub napędzając prąd zewnętrzny. Im więcej litu może zmagazynować bateria, tym większa jest całkowita pojemność magazynowania energii. Im szybciej jony mogą przemieścić się z jednej elektrody do drugiej, tym większa jest ich moc. W pracy opublikowanej w tym tygodniu w czasopiśmie Natura Nanotechnologia grupa MIT wykazała, że jony litu w elektrolicie akumulatora reagują z grupami chemicznymi zawierającymi tlen na powierzchni nanorurek węglowych w folii. Ze względu na ogromną powierzchnię i porowatą strukturę nanorurek, jony mają wiele miejsc, w których mogą reagować, i mogą szybko przemieszczać się do i na zewnątrz, co zapewnia akumulatorowi z nanorurek wysoką pojemność energetyczną i moc, mówi Shao-Horn.
Ta praca po raz kolejny wykazała, że rozwój metod dokładnej kontroli strukturalnej w nanoskali prowadzi do znacznej poprawy wydajności materiałów, mówi Mikołaj Kotow , profesor inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Michigan. Uważam, że to dopiero początek znacznej poprawy akumulatorów litowych przy użyciu podejścia inżynierii materiałowej.
Następnym krokiem, mówi Hammond, jest przyspieszenie. Dzięki metodzie zanurzania grupa jest w stanie wykonać stosunkowo grube folie z nanorurek, ale zajmuje to tydzień. Jeśli chcesz zrobić akumulator samochodowy, musisz zrobić go grubszy i na dużych powierzchniach, mówi Hammond. Zamiast zanurzać substrat w dwóch roztworach nanorurek, grupa Hammonda wytwarza teraz elektrody w ciągu kilku godzin, naprzemiennie rozpylając rozcieńczone mgiełki dwóch roztworów nanorurek. Główną zaletą tej metody zamgławiania jest to, że jest ona kompatybilna z procesami drukowania na dużych powierzchniach, które obiecują szybkość i zgodność z szeroką gamą podłoży. Na przykład baterie nanorurek mogą być drukowane bezpośrednio na obwodach scalonych.