211service.com
Nanokondenzátory s velkým úložištěm energie
Špičkové elektronické zařízení pro ukládání energie by uchovalo spoustu energie, ale také by se rychle nabíjelo a v případě potřeby poskytovalo silné dávky. Je smutné, že dnešní zařízení umí pouze jedno nebo druhé: kondenzátory poskytují vysoký výkon, zatímco baterie nabízejí vysokou kapacitu úložiště.
Síla nanopórů: Pole kondenzátorů zabudovaných uvnitř nanopórů jsou zde zobrazeny na snímku z rastrovacího elektronového mikrofotografie překrytém ilustrací, která ukazuje jejich design. Póry jsou vyleptány do hliníkového substrátu (tmavě žluté). Kondenzátory tvoří dvě tenké vrstvy kovu (modrá) oddělené vrstvou izolačního materiálu (světle žlutá).
Nyní výzkumníci z University of Maryland vyvinuli druh kondenzátoru, který tyto vlastnosti spojuje. Výzkum je v rané fázi a zařízení bude muset být zvětšeno, aby bylo praktické, ale první výsledky ukazují, že dokáže uložit 100krát více energie než předchozí zařízení svého druhu. Nakonec by taková zařízení mohla uchovávat přepětí energie z obnovitelných zdrojů, jako je vítr, a dodávat tuto energii do elektrické sítě v případě potřeby. Mohly by také pohánět elektromobily, které se dobíjejí za čas, který trvá naplnění palivové nádrže, namísto šesti až osmi hodin, které jim dnes trvá dobití.
Existuje mnoho různých druhů baterií a kondenzátorů, ale obecně platí, že baterie mohou ukládat velké množství energie, ale mají tendenci se pomalu nabíjet a rychle se opotřebovávat. Kondenzátory mají mezitím delší životnost a mohou se rychle vybíjet, ale ukládají mnohem méně celkové energie. Elektrochemici a inženýři pracují na vyřešení tohoto problému s ukládáním energie zvýšením výkonu baterií a zvýšením úložné kapacity kondenzátorů.
Zpíval bok lee , profesor chemie a Gary Rubloff , profesor inženýrství a ředitel Maryland NanoCenter vytvořil nanostrukturovaná pole elektrostatických kondenzátorů. Elektrostatické kondenzátory jsou nejjednodušším druhem zařízení pro ukládání elektronické energie, říká Rubloff. Ukládají elektrický náboj na povrchu dvou kovových elektrod oddělených izolačním materiálem; jejich akumulační kapacita je přímo úměrná ploše těchto sendvičových elektrod. Výzkumníci z Marylandu zvýšili úložnou kapacitu svých kondenzátorů pomocí nanovýroby ke zvýšení jejich celkové povrchové plochy. Jejich elektrody fungují stejně jako ty, které se nacházejí v konvenčních kondenzátorech, ale místo toho, aby byly ploché, jsou trubkové a zastrčené hluboko v nanopórech.
Výrobní proces začíná skleněnou deskou potaženou hliníkem. Póry se do desky vyleptají úpravou kyselinou a přivedením napětí. Pečlivým řízením reakčních podmínek je možné vytvořit velmi pravidelná pole drobných, ale hlubokých pórů, každý o průměru 50 nanometrů a hloubce až 30 mikrometrů. Proces je podobný tomu, který se používá k výrobě paměťových čipů. Dále do těchto pórů nanesete velmi tenkou vrstvu kovu, pak tenkou vrstvu izolátoru a pak další tenkou vrstvu kovu, říká Rubloff. Tyto tři vrstvy fungují jako elektrody a izolační vrstva nanokondenzátorů. Vrstva hliníku sedí na horní části zařízení a slouží jako jeden elektrický kontakt; druhý kontakt je proveden s podkladovou hliníkovou vrstvou.
Tato struktura podobná fraktálu značně zvětšuje povrch, říká Joel Schindall , zástupce ředitele MIT's Laboratoř elektromagnetických a elektronických systémů , který se na práci nepodílel.
V článku publikovaném tento týden online v časopise Příroda Nanotechnologie Marylandská skupina popisuje výrobu polí o šířce 125 mikrometrů, z nichž každé obsahuje jeden milion nanokondenzátorů. Povrch každého pole je 250krát větší než u běžného kondenzátoru srovnatelné velikosti. Úložná kapacita polí je asi 100 mikrofaradů na centimetr čtvereční.
Ale povrchová plocha není jediným určujícím faktorem hustoty energie. Nanokondenzátory skupiny Maryland také těží z velmi malé vzdálenosti mezi jejich elektrodami a práce je v tomto ohledu jedinečná, říká Robert Hebner , ředitel společnosti Centrum pro elektromechaniku na Texaské univerzitě v Austinu. Hebner nebyl zapojen do výzkumu v Marylandu.
Pokud jsou elektrody daleko od sebe, podobné náboje na jejich površích se navzájem silně odpuzují. Když jsou elektrody umístěny blíže k sobě, záporný a kladný náboj na obou stranách tyto odpudivé síly vyváží a v dané oblasti lze uložit více celkového náboje. Celková tloušťka každého nanokondenzátoru je pouhých 25 nanometrů a náboje se mohou sbalit velmi blízko u sebe. Je to působivé, říká Hebner. Doufám, že to dokážou zvětšit.
Nanokapacitní pole zatím nemohou ukládat velké množství celkové energie, protože jsou tak malá. Namísto vytváření těchto malých teček chceme vytvořit velkou oblast, která obsahuje miliardy nanokondenzátorů pro uložení velkého množství energie, říká Lee. Jak on, tak Rubloff říkají, že škálování na praktickou úroveň není triviální, ale dvojice spolupracuje na vytváření větších polí. Existuje mnoho problémů se škálováním, říká Rubloff. Podíváme se na to, jak velké je dokážeme vyrobit a přitom všechny fungovat.
I když je tento problém vyřešen, stále se budou muset ujistit, že mohou efektivně propojit více polí k sobě. Hebner ale říká, že tento problém není neřešitelný, a poukazuje na zařízení na trhu, včetně citlivých magnetických detektorů, které podobné problémy s konektivitou úspěšně překonávají.
Jednou z výhod nové výrobní metody je, že lze pečlivě kontrolovat rozměry nanopórů a příslušné tloušťky elektrody a izolátoru. Pravidelnost a uniformita jsou ústředním bodem pro škálování nanotechnologií na něco vyrobitelného a komerčně využitelného, říká Rubloff. Stále existují velké překážky, ale snažíme se rozhodnout, jak to komercializovat – rozhodně je po tom žízeň.