Kestävän yhteiskunnan tavoitteen saavuttamiseksi tarvitaan korkean energian tallennuslaitteita. Niiden tulee olla kompakteja ja kevyitä, ja niiden käyttöikä on pidempi ja niiden tulee tarjota hyvä turvallisuus. Viime kädessä niiden pitäisi ylittää nykyiset akku- ja superkondensaattoriteknologiat. Näiden vaatimusten täyttämiseksi harkitaan yksiseinäisiä hiilinanoputkia (SWCNT). He ovat osoittaneet suurta sitkeyttä noustaessaan potentiaaliseksi teknologiaksi innovatiivisille energiaratkaisuille. Tutkijat havaitsivat, kuinka kierretyt CNT:t tarjoavat paremman energian varastoinnin kuin litiumakut.
Tutkimuksen tavoite : Osoittaa SWCNT:n kyky varastoida nanomekaanista energiaa palautuvasti.
Poimintoja
- Termoplastisiin polyuretaanielastomeeriin käärittyjen SWCNT-köysien valmistukseen.
- SWCNT-kierretyssä köydessä on a hyvä kyky reversiibelisti varastoida nanomekaanista energiaa.
- Kierretyillä köydillä saavutetaan jopa 2.1 MJ kg−1 gravimetrinen tiheys.
- Kierretty köysi ylittää mekaanisten teräsjousien energian varastointikapasiteetin yli 4 suuruusluokkaa.
- Se ylittää Li-ion-akut kertoimella 3.
- Kokeiltu kierretty SWCNT-köysi voi pitää varastoidun energian turvassa vihamielisessä ympäristössä.
- On olemassa ei energian loppumista ajan myötä.
- Se on käytettävissä lämpötiloissa, jotka vaihtelevat -60 ° C - + 100 ° C.
Kierretyt CNT:t tarjoavat paremman energian varastoinnin kuin litiumakut
Yksiseinäiset hiilinanoputket löydettiin vuonna 1993. Siitä lähtien ne ovat jatkuvasti osoittaneet ainutlaatuisia mahdollisuuksia kehittää tehokkaita energianmuunnos- ja varastointilaitteita. Erilaisten teknisten rajoitusten korjaamisen jälkeen tutkijat ovat käyttäneet näitä nanoputkia akuissa, aurinkokennoissa ja superkondensaattoreissa1.
Nykyiset energian varastointimekanismit
Tällä hetkellä käytössä olevia palautuvia mekanismeja ovat seuraavat:
- Kondensaattorien ja akkujen sähkökemiallinen potentiaalienergia.
- Gravitaatiopotentiaalienergia korkeissa vesisäiliöissä.
- Mekaaninen energia.
Nykyinen järjestelmä voi varastoida suuria määriä palautuvaa energiaa noin 98 %:n hyötysuhteella suprajohtavissa magneeteissa.
haittoja
- Tällä menetelmällä on erittäin korkeat jäähdytyskustannukset.
- Staattisesti varastoitu mekaaninen energia tavanomaisiin mekaanisiin teräsjousiin niillä on alhainen gravimetrinen energiatiheys (GED) noin 1.4 × 10-4 MJ kg-1.
- Litiumioniakuilla on ≤0.72 MJ kg−1 GED-arvot, jotka ovat 4 suuruusluokkaa korkeammat kuin mekaaniset jouset.
- Korkeampaa energianvarastokapasiteettia seuraa turvallisuusriskit, kuten tulipalo.
Tässä on vertailu nykyisistä energian varastointilaitteista . Näistä vain harvat soveltuvat energian varastointiin ja toimittamiseen laajalla lämpötila-alueella. Myös etäisesti pienissä antureissa tai lääketieteellisissä implanttilaitteissa.
Tutkimuksen mukaan kustannustehokas vihreän vedyn tuotanto aktiivisilla MXeeneillä.
Mekaanisesti sitkeiden SWCNT-köysien luonnehdinta
Tutkijat käyttivät kaupallisesti saatavia materiaaleja, jotka sisälsivät SWCNT:itä. Materiaalin halkaisija oli 1.5 nm ja pituus noin 1 µm. SWCNT-köydet valmistettiin käyttämällä erilaisia valmistusprosesseja.
Valmistettuja köysityyppejä olivat:
- y-köysi: muodostettu lankamenetelmällä
- r-köysi: muodostettu rullamenetelmällä
- d-köysi: muodostuu dispersiomenetelmällä
Tutkimuksen tavoitteen saavuttamiseksi tutkijoiden on ensin löydettävä luotettava mittaustekniikka . Alla oleva kuva näyttää erot suurimmissa GED-arvoissa ja graafisissa täydellisyydessä käytetyn valmistusmenetelmän perusteella. Tässä lankamenetelmällä saavutetaan korkeimmat GED-arvot, keskimäärin 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 keskimääräisen kiertymän arvon (ε) ollessa 0.95.
Ilman jatkokäsittelyä kaikentyyppisten köysien GED-arvot ovat alhaiset, mahdollisesti putken niputuksen vuoksi.
Termi : Tilanne, jossa useita putkirakenteita kietoutuu yhteen köysiksi aiheuttaen venymiä ja hilan vääristymiä, tunnetaan putkien niputuksena. Se tapahtuu, kun putket ovat vuorovaikutuksessa keskenään, mikä johtaa vikoihin ja häiriintymiin, jotka puolestaan heikentävät putkien välistä energiatiheyttä (GED).
Tutkijat ymmärsivät nipun morfologian vaikutuksen SWCNT-energian varastoinnin suorituskykyyn SEM-mikrovalokuvien avulla. Näin ollen pienin GED oli ilmeisesti näkyvissä d-köydellä, jolle oli tunnusomaista pienin keskimääräinen nippukoko.
Tätä tuki valmistettujen köysien lineaaritiheyden analyysi . Se osoittaa GED:n laskua köysien lineaaritiheyden kasvaessa. Toisaalta Y-köyden nipun koon kasvaessa sen GED kasvoi. Alhaiseen hyötysuhteeseen johtavat tekijät
- Korkea mutkaisuus
- Putkien niputtaminen
- Matala pakkaustiheys
Näistä tekijöistä johtuen nanoputket tulevat tehottomiksi siirtämään kuormia keskenään. Tämä johtaa jäykkyyteen ja pienempään lujuuteen, mikä aiheuttaa alhaisen GED-arvon.
Toisessa UNSW:n tutkimuksessa havaittiin, että bakteerien nanolangat ovat hyödyllisiä vihreän elektroniikan kehittämisessä.
Köyden vahvistuksen käsittely: rajoitusten korjaaminen
Tämä sisältää polymeerikäsittelyn SWCNT:n välisen kuormansiirron parantamiseksi. Yksittäisten nanoputkien tärkeät mekaaniset ominaisuudet säilyivät prosessin aikana. Yksittäisten SWCNT:iden venytys nopeutuu tällä menetelmällä, mikä tekee köydistä parempia energian varastointiin. Tutkijat käyttivät polymeerejä, kuten PSS, PVA, TPU ja PSL parantaakseen y-köysimateriaalien energian varastointipotentiaalia.
Seuraava kuva esittää SWCNT y-köyden modifiointia polymeerien interkalaatiolla tai rikin tai hiilen hajoamisella.
Tämä on SEM-mikrokuvat SWCNT-köydestä ennen käsittelyä ja TPU-muokkauksia. Se osoittaa, kuinka yleinen morfologia muuttui modifioinnin jälkeen. Mikroaaltosäteilytys näyttää tärkeitä eroja TPU-kääreen SWCNT-säikeen välikohdan ja pinnan välillä (ennen ja jälkeen).
Säteilytyksen jälkeen sulaa TPU:ta diffundoitui välitilojen läpi . Tämä koristi SWCNT:n ulkopuolta ja toimii mahdollisena linkittäjänä vierekkäisille putkille ja säikeille. Näin ollen myös Y-köyden tiivis pakkaus lisääntyi. Putkien välillä yhdistetyt köydet, kun ne on pakattu tiiviisti, osoittavat tasaista siirtymistä ja säilyttävät nanomittakaavan SWCNT-köysinäytteiden mekaaniset ominaisuudet . Tämä johtaa edelleen korkeampaan GED-arvoon.
Raman Spectra: Morfologiset muutokset SWCNT:ssä
Raman-spektrit tukevat tutkijan tulkintaa SWCNT-köysien morfologisista muutoksista, kuten alla olevasta kuvasta näkyy. Y-köysi näyttää suurimman ylöspäin siirtymisen G-tilassa. Sen G/D-suhde on 84.8, mikä on paljon suurempi kuin hiili- tai rikkipinnoitettu y-köysi, mutta hieman pienempi kuin normaali y-köysi.
Polymeerimuutosten vaikutus Y-köyden mekaanisiin ominaisuuksiin
Tämä paransi y-köysien mekaanisia ominaisuuksia, minkä niiden jännitys-venymä-käyrät vahvistivat. Erityisesti y-köysillä (TPU) on suurimmat σB:n ja εb:n arvot sekä suurempi E kuin y-köydellä (yleisesti). Tämä lisää entisestään korkeaa mekaanisen energian varastointikykyä.
Paineen alaisena olevien putkirakenteisten köysien muodonmuutosta seurattiin in situ Raman-spektroskopialla . Kiertovaihtelu paransi putkirakenteisten köysien kohdistusta köyden sisällä ja optimoi kuorman siirtymistä putkien välillä.
On hämmästyttävää huomata, että Tohokun yliopiston tutkijat käyttävät epäjärjestäytyneitä kivisuolan oksideja ladattavien magnesiumakkujen valmistuksessa.
Kaikki kemialliset käsittelyt eivät olleet yhtä tehokkaita
Kyllä, GED ei lisääntynyt tasaisesti kaikissa hoidoissa.
- Hiililaskeutusjaksojen määrän lisääntyessä myös y-köysien (C) GED kasvoi.
- Koska köysien sitkeys korreloi vahvasti GED:n kanssa, rikin lisäämisellä y-köysiin on minimaalinen vaikutus energian varastointikapasiteetin lisäämiseen.
- Samoin verrattaessa PSL:llä ja PSS:llä modifioituja y-köysiä, saadaan samanlainen vääntöjännitysraja pienemmällä max GED:llä verrattuna TPU:sta valmistettuihin köysiin.
- Nämä olosuhteet osoittavat, että kerrostunut hiili ja rikki paransivat putkien välistä kytkentää. Ne eivät kuitenkaan olleet yhtä tehokkaita GED:n parantamisessa kuin TPU.
Energian tuotto ja kierretyn y-köyden muuntaminen
Suoran energian ulostuloa tutkittiin siihen kiinnitetyn kuorman (silmäkoukku+mela) pyörityksellä. Tämä laite oli 4 x 104 kertaa raskaampi kuin köysinäytteet.
Prosessi köyden valmistelu testiä varten
Ensin köyttä kierrettiin 10, 20 ja 30 kierrosta moottorilla 110 kierrosta minuutissa (RPM). Sitten sen annettiin kiertyä irti kuorman ollessa kiinni. Erityisesti 10 kierroksen jälkeen köysi kiertyi takaisin noin 90 prosenttiin alkuperäisestä kiertämättömästä konfiguraatiosta.
Se osoittaa, että köyteen jää kierre, vaikka se on purettu. Sen läsnäolo viittaa jonkin verran energian häviöön ilmanvastuksen ja sisäisen kitkan vuoksi . Järjestelmän jaksollinen liike voi vaimentua tämän vuoksi.
Toisessa tutkimuksessa KIST-tutkijat kehittivät turvallisen ja taloudellisen vesipohjaisen ladattavan akun.
Muut havainnot
- Tutkijat havaitsivat, että Rr-arvot (palautus) ylittävät 100 % TPU:n y-köysinäytteiden käänteisen pyörimisen aikana. Tämä näkyi köysissä, jotka oli kierretty eteenpäin 20 ja 30 kertaa.
- Lisäksi TPU, joka toimii linkkinä y-köydessä, mahdollisti noin 90 ± 2 %:n jännitysenergian talteenoton vain 1.1 sekunnissa.
- Kiertymisaika oli hyvin lyhyt, mikä tarkoittaa suurempaa tehotiheyttä noin ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1.
- Energiatehokkuus laski 65 ± 5 %:iin ilman TPU:ta.
- Yli 20 tunnin ajan energian talteenoton tehokkuus laski jopa 20 % köyden itsepurkauksen aiheuttamien rakenteellisten muutosten vuoksi.
- TPU-polymeerien läsnäolo vähensi tehokkaasti edellä mainittua energiahäviötä.
SWCNT-köysien mahdolliset sovellukset
Havaintojen mukaan kierrettyyn SWCNT-köyteen voidaan varastoida noin kolme kertaa enemmän energiaa verrattuna LIB-köyteen. Lisäsovelluksia varten järjestelmä voidaan suunnitella käyttämällä komposiittihihnapyöriä. Tai CNT-köysiä käyttäviä saumoja voidaan käyttää myös ompelukoneiden kanssa. Molemmat menetelmät voisivat mahdollistaa suuren nanomekaanisen energian varastoinnin kompaktissa laitteessa.
Päätelmät
Kierretyt CNT:t tarjoavat paremman energian varastoinnin kuin litiumakut, koska ne toimivat samalla tavalla kuin teräsjouset, mutta ne voivat varastoida paljon enemmän energiaa kuin ne. Tällä nanomekaanisella tekniikalla on useita etuja nykyisiin teknologioihin verrattuna korkean energiatiheyden ja luotettavan energianpidätyskyvyn suhteen. Ne voidaan myös ladata ja purkaa useita kertoja ilman, että niihin liittyy turvallisuusriskiä.
Mikä on suuri kontrasti muihin järjestelmiin verrattuna. Lisäksi SWCNT-köydet pystyvät tuottamaan tasaisia lämpötiloja laajalla lämpötila-alueella ja ovat ihanteellisia bioyhteensopivaan lääketieteelliseen käyttöön. Lisäksi tämä tekniikka voi antaa virtaa pienille laitteille, kuten keinotekoisille elimille, pitkiä aikoja ilman kirurgisen korvauksen tarvetta. Kaiken kaikkiaan SWCNT-köydet voivat ratkaista monia ongelmia kestävällä tavalla.
