211service.com
Nanotrubice dávají bateriím otřes
Lithium-iontová baterie s kladnou elektrodou vyrobenou z uhlíkových nanotrubiček dodává 10krát více energie než běžná baterie a dokáže uložit pětkrát více energie než běžný ultrakondenzátor. Technologie nanotrubicových baterií, vyvinutá výzkumníky z MIT a licencovaná nezveřejněné společnosti vyrábějící baterie, by mohla vést k bateriím, které vylepší těžká hybridní vozidla a umožní rychlejší dobíjení elektronických zařízení, včetně chytrých telefonů.
Nano výkon: Póry mezi nanotrubičkami na tomto snímku z transmisní elektronové mikroskopie mohou uchovávat ionty lithia ve vysoce výkonné baterii.
Vědci se pokoušeli vyrobit elektrody pro lithium-iontové baterie z uhlíkových nanotrubiček, protože jejich velký povrch a vysoká vodivost slibují zlepšení energie i hustoty výkonu ve srovnání s konvenčními formami uhlíku. Práce s materiálem se však ukázala jako náročná – většina metod sestavování uhlíkových nanotrubiček vyžaduje pojivo, které snižuje vodivost elektrody a vede k tvorbě shluků materiálu, čímž se zmenšuje povrch. Elektrody vyrobené skupinou MIT však mají velmi velký povrch pro ukládání a reakci s lithiem. Tato velká plocha povrchu je kritická jak pro vysokou akumulační kapacitu elektrod, tak pro jejich vysoký výkon: protože lithium je uloženo na povrchu, může se rychle pohybovat dovnitř a ven z elektrody, což umožňuje rychlejší nabíjení a vybíjení baterie. .
Klíčem k výkonu elektrod MIT je montážní proces, který vytváří husté, propojené, ale porézní filmy uhlíkových nanotrubiček, bez potřeby jakýchkoli plniv. Skupina vedená profesorem chemického inženýrství Paula Hammondová a profesorem strojního inženýrství Yang Shao-Horn , vytvořit vodní roztoky uhlíkových nanotrubic upravených tak, aby jedna skupina byla nabitá kladně a druhá záporně. Poté střídavě ponoří substrát, jako je podložní sklíčko, do dvou roztoků a nanotrubičky, přitahované rozdíly v jejich náboji, k sobě velmi silně přilnou v rovnoměrných tenkých vrstvách. Vědci již dříve prokázali, že po zahřátí a odstranění ze substrátu mohou tyto husté, ale porézní filmy uložit velké množství náboje a rychle jej uvolnit – fungovat jako elektroda v ultrakondenzátoru.
Nyní skupina MIT upravila tyto metody pro výrobu elektrod pro baterie. Lithium-iontové baterie se nabíjejí a vybíjejí, když se ionty lithia pohybují z jedné elektrody na druhou a jsou poháněny nebo poháněny vnějším proudem. Čím více celkového množství lithia baterie dokáže uložit, tím větší je její celková kapacita pro ukládání energie. Čím rychleji se mohou ionty pohybovat z jedné elektrody do druhé, tím větší je její síla. V práci publikované tento týden v časopise Příroda Nanotechnologie , skupina MIT ukázala, že ionty lithia v elektrolytu baterie reagují s chemickými skupinami obsahujícími kyslík na povrchu uhlíkových nanotrubiček ve filmu. Kvůli obrovskému povrchu a porézní struktuře nanotrubkových elektrod existuje mnoho míst, kde mohou ionty reagovat a mohou se rychle pohybovat dovnitř a ven, což dává nanotrubkové baterii vysokou energetickou kapacitu a výkon, říká Shao-Horn.
Tato práce znovu prokázala, že vývoj metod pro pečlivou kontrolu struktury v nanoměřítku vede k významným zlepšením materiálového výkonu, říká Nicholas Kotov , profesor chemického inženýrství na University of Michigan. Věřím, že je to jen začátek velkého zlepšení lithiových baterií pomocí přístupu materiálového inženýrství.
Dalším krokem, říká Hammond, je urychlit věci. Pomocí metody namáčení je skupina schopna vyrobit poměrně silné nanotrubičkové filmy, ale trvá to týden. Pokud chcete vyrobit autobaterii, musíte ji udělat tlustší a na velkých plochách, říká Hammond. Místo ponoření substrátu do dvou roztoků nanotrubiček nyní Hammondova skupina vyrábí elektrody za několik hodin střídavým rozprašováním zředěné mlhy dvou roztoků nanotrubiček. Hlavní výhodou této metody mlžení je, že je kompatibilní s procesy velkoplošného tisku, které slibují rychlost a kompatibilitu s širokou škálou substrátů. Například nanotrubičkové baterie mohou být vytištěny přímo na integrované obvody.