Um das Ziel einer nachhaltigen Gesellschaft zu erreichen, werden hochenergetische Speicher benötigt. Diese sollten kompakt und leicht sein, eine längere Lebensdauer haben und hohe Sicherheit bieten. Letztendlich sollten sie die aktuellen Batterie- und Superkondensatortechnologien übertreffen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) in Betracht gezogen. Sie haben sich als äußerst robust erwiesen und sich als potenzielle Technologie für innovative Energielösungen etabliert. Forscher haben herausgefunden, dass verdrillte Kohlenstoffnanoröhren eine bessere Energiespeicherung bieten als Lithiumbatterien.
Ziel der Studie: Um die Fähigkeit von SWCNT um nanomechanische Energie reversibel zu speichern.
Highlights
- Zur Herstellung von SWCNT-Seilen, die mit thermoplastischen Polyurethan-Elastomeren umwickelt sind.
- Das gedrehte SWCNT-Seil hat eine gute Fähigkeit zur reversiblen Speicherung nanomechanischer Energie.
- Gedrehte Seile erreichen eine gravimetrische Dichte von bis zu 2.1 MJ kg−1.
- Das gedrehte Seil übertrifft die Energiespeicherkapazität mechanischer Stahlfedern um mehr als 4 Größenordnungen.
- Es übertrifft Li-Ionen-Batterien um den Faktor 3.
- Das experimentelle, gedrehte SWCNT-Seil kann gespeicherte Energie in feindlichen Umgebungen sicher aufbewahren.
- Es gibt kein Energieverlust im Laufe der Zeit.
- Es ist bei Temperaturen von -60 ° C bis + 100 ° C.
Verdrehte CNTs bieten bessere Energiespeicherung als Lithiumbatterien
Einwandig Kohlenstoff-Nanoröhren wurden 1993 entdeckt. Seitdem haben sie kontinuierlich einzigartige Möglichkeiten zur Entwicklung leistungsstarker Energieumwandlungs- und -speichergeräte aufgezeigt. Nach der Behebung verschiedener technischer Einschränkungen haben Wissenschaftler diese Nanoröhrchen in Batterien, Solarzellen und Superkondensatoren1.
Aktuelle Energiespeichermechanismen
Zu den derzeit verwendeten reversiblen Mechanismen gehören die folgenden:
- Elektrochemische potentielle Energie in Kondensatoren und Batterien.
- Gravitationspotentialenergie in erhöhten Wasserreservoirs.
- Mechanische Energie.
Das vorliegende System kann große Mengen reversibler Energie mit einer Rückgewinnungseffizienz von etwa ∼ speichern.98 % in supraleitenden Magneten.
Nachteile
- Dieser Ansatz ist mit extrem hohen Kühlkosten verbunden.
- Statisch gespeicherte mechanische Energie in herkömmlichen mechanischen Stahlfedern haben eine niedrige gravimetrische Energiedichte (GED) von ∼1.4 × 10−4 MJ kg−1.
- Lithium-Ionen-Batterien haben GED-Werte von ≤0.72 MJ kg−1, die vier Größenordnungen höher sind als bei mechanischen Federn.
- Mit der höheren Energiespeicherkapazität gehen Sicherheitsrisiken wie beispielsweise Brand einher.
Hier ist ein Vergleich aktueller Energiespeicher. Nur wenige davon sind für die Speicherung und Abgabe von Energie über einen weiten Temperaturbereich geeignet. Und das auch in Miniatursensoren oder medizinischen Implantaten.
Einer Studie zufolge kostengünstige Produktion von grünem Wasserstoff mit aktiven MXenen.
Charakterisierung mechanisch belastbarer SWCNT-Seile
Die Forscher verwendeten handelsübliche Materialien mit SWCNTs. Der Durchmesser des Materials betrug 1.5 nm und die Länge etwa 1 µm. Mithilfe verschiedener Herstellungsverfahren wurden SWCNT-Seile hergestellt.
Folgende Seilarten wurden erzeugt:
- Y-Seil: gebildet durch Garnmethode
- R-Seil: im Rollverfahren geformt
- D-Seil: gebildet durch Dispersionsverfahren
Um das Ziel der Studie zu erreichen, haben die Forscher zunächst Notwendigkeit, eine zuverlässige Messtechnik zu findenDie folgende Abbildung zeigt die Unterschiede in Bezug auf maximale GED-Werte und grafische Perfektion basierend auf der verwendeten Herstellungsmethode. Hier Garnmethode weist die höchsten GED-Werte mit durchschnittlich 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 auf bei einem mittleren Drallwert (ε) = 0.95.
Ohne weitere Verarbeitung sind die GED-Werte aller Seilarten niedrig, möglicherweise aufgrund der Rohrbündelung.
Bedingungen: Eine Situation, in der sich mehrere SWCNTs zu Strängen zusammenschließen und dadurch Spannungen und Gitterverzerrungen verursachen, wird als Röhrenbündelung bezeichnet. Sie entsteht, wenn Röhren miteinander interagieren, was zu Defekten und Störungen führt, die wiederum zu einem niedrigeren GED führen.
Die Forscher verstanden den Einfluss der Bündelmorphologie auf die Leistung der Energiespeicherung von SWCNTs durch SEM-Mikrofotografien. So war der niedrigste GED offensichtlich im d-Seil sichtbar, das durch die kleinste durchschnittliche Bündelgröße gekennzeichnet war.
Unterstützt wurde dies durch die Analyse der linearen Dichte der vorbereiteten Seile. Es zeigt sich ein Rückgang der GED mit zunehmender linearer Dichte der Seile. Andererseits steigt mit zunehmender Bündelgröße des Y-Seils dessen GED. Faktoren, die zu geringer Effizienz führen
- Hohe Tortuosität
- Rohrbündelung
- Geringe Packungsdichte
Aufgrund dieser Faktoren können Nanoröhren Lasten nicht mehr effizient untereinander übertragen. Dies führt zu Steifheit und geringerer Festigkeit, was wiederum einen niedrigen GED-Wert zur Folge hat.
In einer anderen Studie der UNSW wurde festgestellt, dass Bakterien-Nanodrähte sind hilfreich bei der Entwicklung grüner Elektronik
Verarbeitung von Seilverstärkungen: So beheben Sie die Einschränkungen
Dazu gehört eine Polymerbehandlung zur Verbesserung der Lastübertragung zwischen den SWCNTs. Die wichtigen mechanischen Eigenschaften der einzelnen Nanoröhren blieben dabei erhalten. Die Dehnung der einzelnen SWCNTs wird durch diese Methode beschleunigt, wodurch die Seile besser für die Energiespeicherung geeignet sind. Die Forscher verwendeten Polymere wie PSS, PVA, TPU und PSL, um das Energiespeicherpotenzial von Y-Seilmaterialien zu verbessern.
Die Die folgende Abbildung zeigt die Modifikation des SWCNT-Y-Seils durch die Interkalation von Polymeren oder Zersetzung von Schwefel oder Kohlenstoff.
Dies sind die SEM-Mikrofotografien des SWCNT-Seils vor der Verarbeitung und den TPU-Modifikationen. Sie zeigen, wie sich die Gesamtmorphologie durch die Modifikation verändert hat. Die Mikrowellenbestrahlung zeigt wichtige Unterschiede zwischen dem Zwischengitterplatz und der Oberfläche des TPU-umwickelten SWCNT-Strangs (vorher und nachher).
Nach der Bestrahlung diffundierte geschmolzenes TPU durch die Zwischengitterplätze. Dies schmückte die Außenseite des SWCNT und fungierte als potenzielles Bindeglied für die benachbarten Rohre und Stränge. Dadurch nahm auch die dichte Packung des Y-Seils zu. Zwischen den Rohren verbundene Seile, wenn sie dicht gepackt sind zeigen eine gleichmäßige Übertragung und behalten die mechanischen Eigenschaften der nanoskaligen SWCNT-SeilprobenDies führt weiter zu höherer GED.
Raman-Spektren: Morphologische Veränderungen in SWCNT
Die Interpretation der Forscher zu den morphologischen Veränderungen in SWCNT-Seilen wird durch die Raman-Spektren gestützt, wie in der Abbildung unten dargestellt. Das y-Seil weist die höchste Aufwärtsverschiebung im G-Modus auf. Sein G/D-Verhältnis beträgt 84.8 und ist damit deutlich höher als bei kohlenstoff- oder schwefelhaltigen y-Seilen, aber etwas niedriger als bei normalen y-Seilen.
Einfluss von Polymermodifikationen auf die mechanischen Eigenschaften von Y-Seilen
Dies verbesserte die mechanischen Eigenschaften der Y-Seile, was ihre Spannungs-Dehnungs-Kurven bestätigten. Insbesondere y-Seile (TPU) haben die größten Werte von σB und εb zusammen mit dem größeren E als das y-Seil (allgemein). Dies erhöht die hohe mechanische Energiespeicherung weiter.
Die Verformung der SWCNT-Seile unter Druck wurde mittels In-situ-Raman-Spektroskopie überwacht.Durch das Drehen wurde die Ausrichtung des SWCNT im Seil verbessert. Dadurch wurde die Lastübertragung zwischen den Rohren optimiert.
Es ist erstaunlich, dass Forscher der Tohoku-Universität verwenden ungeordnete Steinsalzoxide für wiederaufladbare Magnesiumbatterien
Nicht alle chemischen Behandlungen waren gleich wirksam
Ja, der GED wurde nicht bei allen Behandlungen gleichmäßig erhöht.
- Mit zunehmender Anzahl der Kohlenstoffablagerungszyklen nahm auch der GED der Y-Seile (C) zu.
- Da die Zähigkeit der Seile eine starke Korrelation mit dem GED aufweist, hat die Zugabe von mehr Schwefel zu Y-Seilen nur minimale Auswirkungen auf die Erhöhung der Energiespeicherkapazität.
- Auch beim Vergleich von Y-Seilen, die mit PSL und PSS modifiziert wurden, zeigt sich eine ähnliche Torsionsdehnungsgrenze mit niedrigerem maximalen GED im Vergleich zu den aus TPU hergestellten Seilen.
- Diese Bedingungen zeigen, dass abgelagerter Kohlenstoff und Schwefel die Kopplung zwischen den Rohren verbesserten. Allerdings waren sie bei der Verbesserung der GED nicht so wirksam wie TPU.
Energieabgabe und -umwandlung von gedrehten Y-Seilen
Die Abgabe direkter Energie wurde durch die Rotation einer daran befestigten Last (Öse-Haken+Paddel) untersucht. Diese Vorrichtung war 4 x 104 mal schwerer als die Seilproben.
Verfahren zur Vorbereitung eines Seils für den Leistungstest
Zunächst wurde das Seil mit einem Motor mit 10 Umdrehungen pro Minute (U/min) 20, 30 und 110 Umdrehungen gedreht. Anschließend wurde es unter Last wieder entdreht. Nach 10 Umdrehungen hatte sich das Seil wieder auf etwa 90 % seiner ursprünglichen, entdrehten Konfiguration zurückgedreht.
Es zeigt, dass eine Restdrehung im Seil verbleibt, auch nachdem es entdreht wurde. Seine Anwesenheit deutet darauf hin, dass Auftreten einer gewissen Energiedissipation durch Luftwiderstand und innere ReibungDie periodische Bewegung des Systems kann dadurch abklingen.
In einer anderen Studie KIST-Forscher entwickeln sichere und wirtschaftliche wiederaufladbare Batterien auf Wasserbasis.
Andere Beobachtungen
- Forscher beobachteten, dass die Rr-Werte (Rückgewinnung) bei der Rückwärtsdrehung von TPU-Y-Seilproben 100 % überstiegen. Dies zeigte sich bei Seilen, die 20- und 30-mal vorwärts gedreht wurden.
- Darüber hinaus ermöglichte TPU als Verbindungselement in Y-Seilen eine Wiederherstellung der Dehnungsenergie von etwa 90 ± 2 % in nur 1.1 Sekunden.
- Die Entdrillungszeit war sehr kurz, was eine höhere Leistungsdichte von etwa ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1 bedeutet.
- Ohne TPU kam es zu einem Rückgang der Energieeffizienz auf 65 ± 5 %.
- Über 20 Stunden hinweg kam es aufgrund struktureller Veränderungen im Seil, die durch Selbstentladung verursacht wurden, zu einem Rückgang der Energierückgewinnungseffizienz von bis zu 20 %.
- Durch die Anwesenheit von TPU-Polymeren konnte der oben genannte Energieverlust effizient reduziert werden.
Mögliche Anwendungen von SWCNT-Seilen
Den Beobachtungen zufolge kann in gedrehten SWCNT-Seilen im Vergleich zu LIBs etwa dreimal mehr Energie gespeichert werden. Für weitere Anwendungen ist ein Das System kann durch den Einsatz von Verbundscheiben gestaltet werden. Oder Nähte mit CNTs kann auch bei Nähmaschinen eingesetzt werden. Beide Methoden könnten die Speicherung großer nanomechanischer Energiemengen in einem kompakten Gehäuse ermöglichen.
Schlussfolgerungen
Die verdrehten CNTs bieten eine bessere Energiespeicherung als Lithiumbatterien, da sie ähnlich wie Stahlspiralfedern funktionieren, aber deutlich mehr Energie speichern können. Diese nanomechanische Technologie bietet gegenüber bestehenden Technologien mehrere Vorteile hinsichtlich hoher Energiedichte und zuverlässiger Energiespeicherung. Zudem können sie ohne Sicherheitsrisiko mehrfach geladen und entladen werden.
Das ist ein großer Unterschied zu anderen Systemen. SWCNT-Seile liefern zudem konstante Temperaturen über einen weiten Temperaturbereich und eignen sich ideal für biokompatible medizinische Anwendungen. Darüber hinaus kann diese Technologie kleine Geräte wie künstliche Organe über längere Zeiträume mit Strom versorgen, ohne dass ein chirurgischer Austausch erforderlich ist. Insgesamt können SWCNT-Seile zahlreiche Probleme nachhaltig lösen.
