211service.com
Kvantový skok v designu baterie
Koncept digitální kvantové baterie navržený fyzikem z University of Illinois v Urbana-Champaign by mohl poskytnout dramatické zvýšení kapacity pro skladování energie – pokud po vybudování splní svůj teoretický potenciál.
Tento koncept vyžaduje miliardy kondenzátorů v nanoměřítku a spoléhal by na kvantové efekty – podivné jevy, které se vyskytují v atomárních velikostech – ke zvýšení ukládání energie. Konvenční kondenzátory se skládají z jednoho páru makrovodivých desek nebo elektrod, oddělených izolačním materiálem. Přivedením napětí se v izolačním materiálu vytvoří elektrické pole, které akumuluje energii. Ale všechna taková zařízení dokážou pojmout pouze tolik náboje, za kterým mezi elektrodami dochází k jiskření a plýtvání uloženou energií.
Pokud by byly kondenzátory místo toho stavěny jako pole nanoměřítek – což je zásadní, s elektrodami vzdálenými od sebe asi 10 nanometrů (nebo 100 atomů) – kvantové efekty by měly takové jiskření potlačit. Po celá léta vědci zjistili, že kondenzátory v nanoměřítku vykazují neobvykle velká elektrická pole, což naznačuje, že malé měřítko zařízení bylo zodpovědné za zabránění ztrátě energie. Ale lidé si neuvědomovali, že velké elektrické pole znamená velkou hustotu energie a mohlo by být použito pro skladování energie, které by daleko předčilo vše, co máme dnes, říká Alfred Hubler, fyzik z Illinois a hlavní autor knihy. papír nastiňující koncept, který bude zveřejněn v časopise Složitost .
Hubler tvrdí, že výsledná hustota energie (rychlost, kterou lze energii ukládat nebo uvolňovat) by mohla být řádově vyšší a hustota energie (množství energie, kterou lze uložit) dvakrát až 10krát větší, než je možné s dnešním nejlepším lithiem. -iontové a další technologie baterií.
A co víc, digitální kvantové baterie by mohly být vyrobeny pomocí stávajících technologií výroby litografických čipů za použití levných, netoxických materiálů, jako je železo a wolfram, na křemíkovém substrátu, říká. Výsledná zařízení by v zásadě plýtvala malou nebo žádnou energií, protože by absorbovala a uvolňovala elektrony. Hubler říká, že by mohlo být možné postavit prototyp v jednom roce.
Dnes jsou však digitální kvantové baterie pouze výzkumným konceptem čekajícím na patentování. Společnost Hubler požádala o financování agentury Defence Advanced Research Projects Agency na vývoj takového prototypu, ale tento koncept představuje značné problémy. Není jasné, že by se nanofabrikované materiály po nabití energií nerozpadly, říká Joel Schindall , profesor elektrotechniky na MIT.
Ale Schindall také říká, že tento koncept má své opodstatnění. Opatrně mě to zajímá, protože má nějaké legitimní argumenty pro skutečnost, že v těchto kvantových dimenzích se přinejmenším předpovídá, že efekt ukládání energie značně vzroste, říká Schindall. První výzva zní: jsou jeho předpoklady správné, nebo existují nějaké další jevy, na které jsme se nedívali a které stojí v cestě?
V některých ohledech tento koncept představuje variaci stávajících mikro- a nanoelektronických zařízení. Když se na to podíváte z pohledu digitální elektroniky – je to jen flash disk, říká Hubler. Když se na to podíváte z pohledu elektrotechniky, řekli byste, že jde o miniaturizované elektronky jako v plazmových televizorech. Pokud mluvíte s fyzikem, jedná se o síť kondenzátorů.
Digitální část konceptu vychází ze skutečnosti, že každá nanovakuová trubice by byla individuálně adresovatelná. Z tohoto důvodu by zařízení možná mohla sloužit i k ukládání dat.
Pro zvýšení výkonu kondenzátorů existují i jiné způsoby. Pokročilé verze, nazývané ultrakapacitory, dokážou uchovat významnou energii a pracovat rychleji, protože zvětšují povrch jejich elektrod a využívají elektrolyt. Schindallova skupina zvýšila rychlost nabíjení a vybíjení a akumulační kapacitu tradičních ultrakondenzátorů použitím uhlíkových nanotrubic namísto aktivního uhlí na povrchu elektrody. V podstatě se tím zvětšuje povrch elektrody.
Výhody Schindallovy konstrukce – zvýšený výkon a hustota energie – by mohly být zásadní pro aplikace, jako je například rychlé nasávání obrovských pulsů energie z pole větrných turbín nebo solárních polí. Navíc jeho tým skutečně postavil stolní zařízení. Nevýhodou je, že hustota energie dané hmoty materiálu by byla stále o něco nižší než u lithium-iontových baterií.
Zatímco Hubler ještě nic nepostavil, poznamenává, že v roce 2005 skupina korejských výzkumníků ukázala, že kondenzátory v nanoměřítku lze vyrobit. Hublerovo zařízení by však stále potřebovalo miliardy nebo dokonce biliony takových zařízení.
Naprosto souhlasím s tím, že zoufale potřebujeme nové způsoby skladování elektrické energie, říká Schindall. I když to může být v konkurenci s tím, co dělám, přeji mu hodně úspěchů a doufám, že to vyjde.