211service.com
Nanokondensatoriai su didelės energijos saugykla
Aukščiausias elektroninis energijos kaupimo įrenginys sukauptų daug energijos, bet taip pat greitai įsikrauna ir prireikus suteiktų galingų sprogimų. Deja, šiuolaikiniai įrenginiai gali daryti tik vieną ar kitą veiksmą: kondensatoriai suteikia didelę galią, o baterijos – daug talpos.
Nanoporo galia: Nanoporų viduje įmontuotų kondensatorių masyvai čia rodomi skenuojančiame elektronų mikrografijos vaizde, padengtame iliustracija, rodančia jų dizainą. Poros išgraviruotos į aliuminio pagrindą (tamsiai geltoną). Kondensatoriai sudaro du plonus metalo (mėlynos spalvos) sluoksnius, atskirtus izoliacinės medžiagos sluoksniu (šviesiai geltona).
Dabar Merilendo universiteto mokslininkai sukūrė tam tikrą kondensatorių, kuris sujungia šias savybes. Tyrimas yra pradiniame etape, todėl prietaisas turės būti padidintas, kad būtų praktiškas, tačiau pirminiai rezultatai rodo, kad jis gali sukaupti 100 kartų daugiau energijos nei ankstesni tokio tipo įrenginiai. Galiausiai tokie įrenginiai galėtų kaupti energijos iš atsinaujinančių šaltinių, pvz., vėjo, antplūdį ir prireikus tiekti tą energiją į elektros tinklą. Jie taip pat galėtų maitinti elektromobilius, kurie įkrauna tiek laiko, kiek reikia užpildyti degalų baką, o ne šešias ar aštuonias valandas, per kurias įkraunama šiandien.
Yra daug įvairių tipų baterijų ir kondensatorių, tačiau apskritai baterijos gali sukaupti daug energijos, tačiau linkusios lėtai įkrauti ir greitai susidėvėti. Tuo tarpu kondensatoriai turi ilgesnį tarnavimo laiką ir gali greitai išsikrauti, tačiau jie kaupia daug mažiau bendros energijos. Elektrochemikai ir inžinieriai stengėsi išspręsti šią energijos kaupimo problemą padidindami baterijų galią ir padidindami kondensatorių talpą.
Dainavo bok lee , chemijos profesorius ir Gary Rubloff , inžinerijos profesorius ir direktorius Merilendo nanocentras , sukūrė nanostruktūrines elektrostatinių kondensatorių matricas. Elektrostatiniai kondensatoriai yra paprasčiausias elektroninės energijos kaupimo įrenginys, sako Rubloffas. Jie kaupia elektros krūvį dviejų metalinių elektrodų, atskirtų izoliacine medžiaga, paviršiuje; jų talpa yra tiesiogiai proporcinga šių į sumuštinį panašių elektrodų paviršiaus plotui. Merilendo mokslininkai padidino savo kondensatorių talpą, naudodami nanogamybą, kad padidintų bendrą jų paviršiaus plotą. Jų elektrodai veikia taip pat, kaip ir įprastuose kondensatoriuose, tačiau užuot plokšti, jie yra vamzdiniai ir įsprausti giliai į nanoporas.
Gamybos procesas prasideda nuo stiklo plokštės, padengtos aliuminiu. Poros išgraviruojamos į plokštelę apdorojant ją rūgštimi ir įjungiant įtampą. Atidžiai kontroliuojant reakcijos sąlygas, galima sudaryti labai reguliarius mažų, bet gilių porų masyvus, kurių kiekviena yra net 50 nanometrų skersmens ir iki 30 mikrometrų gylio. Procesas panašus į naudojamą atminties lustams gaminti. Tada į šias poras įdėkite labai ploną metalo sluoksnį, tada ploną izoliatoriaus sluoksnį, tada kitą ploną metalo sluoksnį, sako Rubloffas. Šie trys sluoksniai veikia kaip nanokondensatorių elektrodai ir izoliacinis sluoksnis. Aliuminio sluoksnis yra ant įrenginio viršaus ir tarnauja kaip vienas elektros kontaktas; kitas kontaktas yra su apatiniu aliuminio sluoksniu.
Ši fraktalą primenanti struktūra labai padidina paviršiaus plotą, sako Joelis Schindalas , MIT direktoriaus pavaduotojas Elektromagnetinių ir elektroninių sistemų laboratorija , kuris darbe nedalyvavo.
Straipsnyje, paskelbtame internete šią savaitę žurnale Gamtos nanotechnologijos Merilendo grupė aprašo 125 mikrometrų pločio matricų, kurių kiekvienoje yra po milijoną nanokondensatorių, gamybą. Kiekvienos matricos paviršiaus plotas yra 250 kartų didesnis nei įprasto panašaus dydžio kondensatoriaus. Masyvų saugojimo talpa yra apie 100 mikrofaradų kvadratiniame centimetre.
Tačiau paviršiaus plotas nėra vienintelis energijos tankį lemiantis veiksnys. Merilando grupės nanokondensatoriams taip pat naudingas labai mažas atstumas tarp jų elektrodų, todėl darbas šiuo atžvilgiu yra unikalus, sakoma. Robertas Hebneris , direktorius Elektromechanikos centras Teksaso universitete Ostine. Hebneris nedalyvavo Merilendo tyrime.
Jei elektrodai yra toli vienas nuo kito, panašūs krūviai ant jų paviršių stipriai atstumia vienas kitą. Kai elektrodai yra arčiau vienas kito, neigiami ir teigiami krūviai abiejose pusėse atsveria šias atstumiančias jėgas ir tam tikroje srityje gali būti saugoma daugiau bendro krūvio. Bendras kiekvieno nanokondensatoriaus storis yra tik 25 nanometrai, o įkrovos gali būti labai arti viena kitos. Tai įspūdinga, sako Hebneris. Tikiuosi, kad jie galės jį padidinti.
Kol kas nanokondensatorių matricos negali sukaupti daug bendros energijos, nes jos tokios mažos. Užuot darę šiuos mažus taškelius, norime sukurti didelę sritį, kurioje būtų milijardai nanokondensatorių, kad būtų galima kaupti didelius energijos kiekius, sako Lee. Ir jis, ir Rubloffas sako, kad mastelio padidinimas iki praktinio lygio nėra trivialus, tačiau pora dirba kartu, kad sukurtų didesnius masyvus. Yra daug didinimo problemų, sako Rubloffas. Pažiūrėsime, kokio dydžio galime juos pagaminti ir vis tiek veiks.
Net jei ši problema bus išspręsta, jie vis tiek turės įsitikinti, kad gali veiksmingai sujungti kelis masyvus. Tačiau Hebneris teigia, kad ši problema nėra išsprendžiama, ir jis nurodo rinkoje esančius įrenginius, įskaitant jautrius magnetinius detektorius, kurie sėkmingai išsprendžia panašias ryšio problemas.
Vienas iš naujojo gamybos metodo pranašumų yra tai, kad nanoporų matmenys ir atitinkami elektrodo bei izoliatoriaus storiai gali būti kruopščiai kontroliuojami. Rubloffas sako, kad taisyklingumas ir vienodumas yra esminiai dalykai, kad nanotechnologijos būtų pritaikytos gaminti ir parduoti. Vis dar yra didelių kliūčių, bet mes bandome nuspręsti, kaip tai komercializuoti – tikrai trokštame tai padaryti.