Para lograr el objetivo de una sociedad sostenible, se necesitan dispositivos de almacenamiento de alta energía. Deben ser compactos y ligeros, con una mayor vida útil y ofrecer una buena seguridad. En última instancia, deberían superar las tecnologías actuales de baterías y supercondensadores. Para satisfacer estas demandas, se están considerando los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). Han demostrado una gran resistencia y se perfilan como una tecnología potencial para soluciones energéticas innovadoras. Los investigadores descubrieron cómo los CNT retorcidos ofrecen un mejor almacenamiento de energía que las baterías de litio.
Objetivo del estudio : Demostrar la capacidad de los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) para almacenar energía nanomecánica de forma reversible.
Destacados
- Para producir cuerdas SWCNT envueltas en elastómeros de poliuretano termoplástico.
- La cuerda torcida SWCNT tiene una Buena capacidad para almacenar reversiblemente energía nanomecánica.
- Las cuerdas torcidas alcanzan una densidad gravimétrica de hasta 2.1 MJ kg−1.
- La cuerda retorcida supera la capacidad de almacenamiento de energía de los resortes mecánicos de acero en más de 4 órdenes de magnitud.
- Supera a las baterías de iones de litio por un factor de 3.
- La cuerda SWCNT retorcida experimentada puede mantener la energía almacenada segura en entornos hostiles.
- Hay Sin agotamiento de energía con el tiempo.
- Es accesible en temperaturas que oscilan entre -60 ° C a + 100 ° C.
Los CNT retorcidos ofrecen un mejor almacenamiento de energía que las baterías de litio
Los nanotubos de carbono de pared simple se descubrieron en 1993. Desde entonces, han demostrado continuamente un potencial único para el desarrollo de dispositivos de conversión y almacenamiento de energía de alto rendimiento. Tras superar diversas limitaciones técnicas, los científicos han utilizado estos nanotubos en baterías, células solares y supercondensadores¹.
Mecanismos actuales de almacenamiento de energía
Los mecanismos reversibles utilizados actualmente incluyen los siguientes:
- Energía potencial electroquímica en condensadores y baterías.
- Energía potencial gravitacional en reservorios de agua elevados.
- Energía mecánica.
El sistema actual puede almacenar grandes cantidades de energía reversible con una eficiencia de recuperación de alrededor del 98% en imanes superconductores.
Inconvenientes
- Este enfoque tiene un coste de refrigeración extremadamente elevado.
- Energía mecánica almacenada estáticamente en resortes mecánicos de acero convencionales tienen una baja densidad de energía gravimétrica (GED) de ∼1.4 × 10−4 MJ kg−1.
- Las baterías de iones de litio tienen valores GED de ≤0.72 MJ kg−1, que son 4 órdenes de magnitud superiores a los de los resortes mecánicos.
- Las mayores capacidades de almacenamiento de energía traen consigo riesgos de seguridad como, por ejemplo, incendios.
Aquí presentamos una comparación de los dispositivos de almacenamiento de energía actuales . De ellos, solo unos pocos son adecuados para almacenar y suministrar energía en un amplio rango de temperaturas. Y esto, además, en sensores miniatura o dispositivos médicos implantables.
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Caracterización de cuerdas SWCNT mecánicamente tenaces
Los investigadores utilizaron materiales comerciales que contienen SWCNT. El diámetro del material era de 1.5 nm y la longitud de aproximadamente 1 µm. Mediante diferentes procesos de fabricación, se fabricaron cuerdas de SWCNT.
Los tipos de cuerdas generadas fueron:
- cuerda en Y:formado por el método del hilado
- cuerda r:formado por el método de laminación
- cuerda en D:formado por el método de dispersión
Para alcanzar el objetivo del estudio, los investigadores primero deben identificar una técnica de medición fiable . La siguiente figura muestra las diferencias en términos de valores máximos de GED y perfección gráfica según el método de fabricación utilizado. En este caso, el método de hilo presenta los valores de GED más altos, con un promedio de 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 a un valor de torsión promedio (ε) = 0.95.
Sin ningún procesamiento adicional, los valores GED de todos los tipos de cuerdas son bajos, posiblemente debido al agrupamiento de tubos.
Término : La situación en la que varios nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) se agrupan formando haces, provocando tensiones y distorsiones en la red cristalina, se conoce como formación de haces de tubos. Esto ocurre cuando los tubos interactúan entre sí, generando defectos y desórdenes que resultan en una menor densidad de energía de deformación (GED).
Los investigadores comprendieron la influencia de la morfología del haz en el rendimiento del almacenamiento de energía de los SWCNT mediante micrografías SEM. Por lo tanto, el GED más bajo fue evidentemente visible en la cuerda d, caracterizada por el tamaño promedio del haz más pequeño.
Esto se confirmó mediante el análisis de la densidad lineal de las cuerdas preparadas . Se observa una disminución en la GED a medida que aumenta la densidad lineal de las cuerdas. Por otro lado, con el aumento del tamaño del haz de la cuerda en Y, su GED aumentó. Factores que conducen a una baja eficiencia
- Alta tortuosidad
- Agrupamiento de tubos
- Baja densidad de empaquetamiento
Debido a estos factores, los nanotubos se vuelven ineficientes en la transferencia de cargas entre sí. Esto resulta en rigidez y menor resistencia, lo que resulta en un valor GED bajo.
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Procesamiento de refuerzo de cuerdas: para abordar las limitaciones
Esto incluye un tratamiento con polímeros para mejorar la transferencia de carga entre nanotubos de carbono de superficie (SWCNT). Las importantes propiedades mecánicas de cada nanotubo se conservaron durante el proceso. Este método acelera el estiramiento de los SWCNT individuales, lo que mejora el almacenamiento de energía en las cuerdas. Los investigadores utilizaron polímeros como PSS, PVA, TPU y PSL para mejorar el potencial de almacenamiento de energía de los materiales de las cuerdas en Y.
La siguiente figura muestra la modificación de la cuerda en forma de Y de SWCNT mediante la intercalación de polímeros o la descomposición de azufre o carbono.
Estas son las micrografías SEM de la cuerda de SWCNT antes del procesamiento y las modificaciones con TPU. Muestran cómo cambió la morfología general tras la modificación. La irradiación con microondas muestra diferencias importantes entre el sitio intersticial y la superficie de la hebra de SWCNT envuelta en TPU (antes y después).
Tras la irradiación, el TPU fundido se difundió a través de los sitios intersticiales . Esto decoró el exterior del SWCNT y actúa como un posible conector para los tubos y filamentos adyacentes. Por lo tanto, el empaquetamiento compacto de la cuerda en Y también aumentó. Las cuerdas conectadas entre tubos, cuando están compactadas, muestran una transferencia uniforme y conservan las propiedades mecánicas de las muestras de cuerdas de SWCNT a nanoescala . Esto conduce además a una mayor GED.
Espectros Raman: Cambios morfológicos en SWCNT
La interpretación del investigador sobre los cambios morfológicos en las cuerdas SWCNT se sustenta en los espectros Raman, como se muestra en la imagen a continuación. La cuerda Y presenta el mayor desplazamiento ascendente en el modo G. Su relación G/D es de 84.8, mucho mayor que la de la cuerda Y depositada con carbono o azufre, pero ligeramente menor que la de la cuerda Y normal.
Las modificaciones de polímeros afectan las propiedades mecánicas de la cuerda Y
Esto mejoró las propiedades mecánicas de las cuerdas en Y, lo cual se confirmó mediante sus curvas de tensión-deformación. En particular, las cuerdas en Y (TPU) presentan los mayores valores de σB y εb, junto con un módulo de Young (E) mayor que las cuerdas en Y (generales). Esto incrementa aún más su capacidad de almacenamiento de energía mecánica.
La deformación de los haces de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) bajo presión se monitorizó mediante espectroscopia Raman in situ . El ciclo de torsión mejoró la alineación de los SWCNT dentro del haz, optimizando la transferencia de carga entre los tubos.
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No todos los tratamientos químicos fueron igualmente efectivos
Sí, el GED no aumentó por igual en todos los tratamientos.
- Con el aumento del número de ciclos de deposición de carbono, la GED de las cuerdas y (C) también aumentó.
- Dado que la dureza de las cuerdas muestra una fuerte correlación con el GED, agregar más azufre a las cuerdas en Y muestra un efecto mínimo en el aumento de la capacidad de almacenamiento de energía.
- De manera similar, al comparar cuerdas en Y modificadas por PSL y PSS, se muestra un límite de deformación torsional similar con un GED máximo más bajo en comparación con las hechas de TPU.
- Estas condiciones muestran que el carbono y el azufre depositados mejoraron el acoplamiento entre tubos. Sin embargo, no fueron tan eficaces como el TPU para mejorar la GED.
Salida y conversión de energía de una cuerda en Y retorcida
Se investigó la producción de energía directa mediante la rotación de una carga (gancho de ojo + paleta) sujeta a él. Este dispositivo era 4 veces 104 veces más pesado que las muestras de cuerda.
Proceso de preparación de la cuerda para la prueba de salida.
Primero, se giró la cuerda 10, 20 y 30 vueltas con un motor a 110 revoluciones por minuto (RPM). Después, se dejó desenrollar con la carga. En concreto, después de 10 vueltas, la cuerda recuperó aproximadamente el 90 % de su configuración original.
Esto demuestra que la cuerda conserva una torsión residual incluso después de haber sido desenredada. Su presencia sugiere que se produce cierta disipación de energía debido a la resistencia del aire y la fricción interna . El movimiento periódico del sistema puede verse afectado por este fenómeno.
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Otras observaciones
- Los investigadores observaron que los valores de Rr (recuperación) superan el 100 % durante la rotación inversa de muestras de cuerdas en Y de TPU. Esto fue evidente en cuerdas torcidas 20 y 30 veces hacia adelante.
- Además, el TPU actuando como enlace en las cuerdas en Y, permitió una recuperación de energía de deformación de alrededor del 90 ± 2% en solo 1.1 segundos.
- El tiempo de desenrollado fue muy corto, lo que significa una mayor densidad de potencia de alrededor de ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1.
- Sin TPU se produjo una caída en la eficiencia energética al 65 ± 5%.
- Durante más de 20 horas, se produjo una disminución de hasta un 20% en la eficiencia de recuperación de energía debido a cambios estructurales en la cuerda, provocados por la autodescarga.
- La presencia de polímeros de TPU redujo eficazmente la pérdida de energía mencionada anteriormente.
Aplicaciones potenciales de las cuerdas SWCNT
Según las observaciones, se puede almacenar aproximadamente tres veces más energía en cuerdas de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) trenzadas que en baterías de iones de litio (LIB). Para futuras aplicaciones, se puede diseñar un sistema utilizando poleas compuestas. También se pueden usar costuras con nanotubos de carbono (CNT) en máquinas de coser. Ambos métodos permitirían almacenar una gran cantidad de energía nanomecánica de forma compacta.
Conclusiones
Los nanotubos de carbono retorcidos ofrecen un mejor almacenamiento de energía que las baterías de litio, ya que funcionan de forma similar a los resortes helicoidales de acero, pero pueden almacenar mucha más energía. Esta tecnología nanomecánica presenta varias ventajas sobre las tecnologías actuales en términos de alta densidad energética y retención de energía fiable. Además, pueden cargarse y descargarse varias veces sin ningún riesgo de seguridad.
Esto representa un gran contraste en comparación con otros sistemas. Además, las cuerdas SWCNT son capaces de proporcionar temperaturas constantes en un amplio rango de temperaturas y son ideales para uso médico biocompatible. Además, esta tecnología puede alimentar dispositivos pequeños, como órganos artificiales, durante períodos más largos sin necesidad de reemplazo quirúrgico. En resumen, las cuerdas SWCNT pueden resolver numerosos problemas de forma sostenible.
