211service.com
Nanogėlės pagerina ultrakondensatorius
Įsivaizduokite mobiliojo telefono bateriją, kuri įkraunama per kelias sekundes ir kurios jums niekada nereikės keisti. Tai yra energijos kaupimo įrenginių, vadinamų ultrakondensatoriais, pažadas, tačiau šiuo metu jie gali sukaupti tik apie 5 procentus energijos nei ličio jonų baterijos. Kinijos Cheminės gynybos tyrimų instituto mokslininkų pažanga gali padidinti ultrakondensatorių gebėjimą kaupti energiją.
Nanogėlių galia: Perdavimo elektroninio mikroskopo vaizde matyti gėlę primenanti mangano oksido nanodalelė, nusėdusi susikryžiavusių anglies nanovamzdelių sandūroje. Naudojamas kaip elektrodų medžiaga, šis nanovamzdelio, mangano ir oksido kompozitas gali pagerinti ultrakondensatorių energijos kaupimo galimybes, kurios yra daug žadančios kaip galingi ir ilgalaikiai baterijų pakaitalai.
Kondensatorius susideda iš dviejų priešingų krūvių elektrodų, dažnai atskirtų izoliatoriumi, kuris neleidžia elektronams šokinėti tiesiai tarp jų. Tyrėjai sukūrė elektrodą, kuris gali saugoti dvigubai daugiau įkrovos nei aktyvuotos anglies elektrodai, naudojami dabartiniuose ultrakondensatoriuose. Naujajame elektrode yra gėlių formos mangano oksido nanodalelės, nusodintos ant vertikaliai išaugintų anglies nanovamzdelių.
Elektrodai tiekia penkis kartus daugiau galios nei aktyvuotos anglies elektrodai, sako Hao Zhang, pagrindinis autorius. Nano raidės popierius, kuriame aprašomas naujas darbas. Zhang sako, kad elektrodo ilgaamžiškumas taip pat lyginamas su aktyvuotos anglies elektrodų ilgaamžiškumu: elektrodų iškrovimas ir įkrovimas 20 000 kartų sumažino kondensatoriaus energijos kaupimo talpą tik 3 procentais.
Tipiškame ultrakondensatoriuje du aliuminio elektrodai yra pakabinti elektrolite. Elektrodams taikoma įtampa atskiria teigiamus ir neigiamus elektrolito jonus, kurie traukia priešingai įkrautus elektrodus. Kiek energijos gali sukaupti ultrakondensatorius, labai priklauso nuo elektrodų paviršiaus ploto: kuo daugiau ploto, tuo daugiau vietos įkrovimui laikyti. Elektrodų padengimas aktyvuota anglimi padidina jų paviršiaus plotą, nes arbatinis šaukštelis porėtos, kempinės formos medžiagos yra maždaug futbolo aikštės paviršiaus plotas. Ultrakondensatoriai gali sukaupti milijonus kartų daugiau energijos nei maži kondensatoriai, naudojami elektroninėse grandinėse.
Tačiau jų veikimas vis dar nublanksta šalia baterijų, kurios kaupia energiją cheminėmis reakcijomis. Jei duotų jums mobilųjį telefoną su ultrakondensatoriaus baterija, jūs niekada nepakeistumėte baterijos ir galėtumėte ją įkrauti per kelias sekundes, bet tai truktų tik pusvalandį, sako Joelis Schindalas , MIT elektros inžinerijos profesorius.
Iki šiol ultrakondensatoriai apsiribojo nišinėmis programomis, kurioms reikalinga didelė galia ir greitas, pasikartojantis įkrovimas. Pavyzdžiui, įrenginiai greitai tiekia elektros energiją autobusams, sunkvežimiams ir traukiniams trumpais ruožais, o stabdymas juos papildo. Tačiau jei jie galėtų sukaupti daugiau energijos, jie galėtų būti galingas ir ilgaamžis hibridinių elektrinių transporto priemonių ir nešiojamos elektronikos akumuliatorių pakaitalas.
Tyrėjai jau seniai siekė padidinti energijos kaupimą ultrakondensatoriuose tobulindami elektrodų dizainą. Schindallas ir jo kolegos bando pagaminti elektrodus, padengtus anglies nanovamzdeliais, kurių paviršiaus plotas didesnis nei aktyvintosios anglies ir kurie yra puikūs laidininkai. Kitos tyrimų grupės naudoja geriau įkrovas kaupiančias medžiagas, tokias kaip mangano oksidas ir laidus polimerai.
Naujasis elektrodas sujungia šių dviejų metodų privalumus. Pirma, mokslininkai išaugina daugybę anglies nanovamzdelių ant folijos, pagamintos iš metalo tantalo, kuris dažniausiai naudojamas kondensatoriuose. Tada jie augina 100 nanometrų pločio gėlės formos nanodaleles tiesiai ant masyvo. Nanovamzdeliai auga daugiau ar mažiau vertikaliai, tačiau jie nėra labai standūs ir linkę kristi vienas per kitą. Nanogėlės dažniausiai auga kelių nanovamzdelių sandūrose ir turi didelį paviršiaus plotą (236 kvadratiniai metrai viename grame), palyginti su tipiškomis mangano oksido dalelėmis.
Kiekviena mangano oksido nanogėlė yra tiesiogiai sujungta su tantalo folija dviem ar daugiau elektronų greitkelių, anglies nanovamzdelių, sako Gaopingas Cao, Zhang projekto vadovas. Šis puikus laidų tinklas leidžia efektyviai transportuoti įkrovas. Kai srovė teka per tantalo foliją, krūviai greitai perkeliami į mangano oksidą ir kaupiasi jame: elektrodas sukaupia dvigubai daugiau krūvio nei toks pat aktyvintos anglies tūris. Mokslininkai teigia, kad didelis nanovamzdelių laidumas taip pat gali suteikti jiems didesnę galią nei dabartiniai ultrakondensatoriai.
Mangano oksido auginimo anglies nanovamzdelių matricose būdas yra naujas ir sukūrė gražias struktūras, sakoma. Jurijus Gogotsi , Drexel universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius. Gogotsi sako, kad didelio anglies nanovamzdelių laidumo derinimas su mangano oksido įkrovos talpa yra patrauklus požiūris. Tačiau jis priduria, kad tai nepraktiška dideliems tūriams, pavyzdžiui, automobiliams, nes naudojant anglies nanovamzdelių matricas ir tantalo foliją jos brangsta.
Iš tiesų, sako Schindall, kaina gali būti pagrindinė kliūtis ultrakondensatoriams su nanostruktūriniais elektrodais. Pasak jo, jie rado būdą, kaip auginti šias struktūras, bet dabar jie turi sugebėti jas auginti pakankamai tankiai ir pakankamai ekonomiškai, kad būtų praktiški.