Pour atteindre l'objectif d'une société durable, des dispositifs de stockage d'énergie à haute teneur sont nécessaires. Ils doivent être compacts et légers, offrir une durée de vie plus longue et une sécurité optimale. À terme, ils devraient surpasser les technologies actuelles de batteries et de supercondensateurs. Pour répondre à ces exigences, les nanotubes de carbone monoparoi (SWCNT) sont envisagés. Ils ont démontré une grande robustesse et se sont imposés comme une technologie potentielle pour des solutions énergétiques innovantes. Des chercheurs ont découvert que les CNT torsadés offrent un meilleur stockage d'énergie que les batteries au lithium.
Le but de l'étude: Pour montrer le capacité du SWCNT pour stocker de manière réversible l'énergie nanomécanique.
Temps forts
- Pour produire des cordes SWCNT enveloppées d'élastomères de polyuréthane thermoplastiques.
- La corde torsadée SWCNT a un bonne capacité à stocker de manière réversible l'énergie nanomécanique.
- Les cordes torsadées atteignent une densité gravimétrique allant jusqu'à 2.1 MJ kg−1.
- La corde torsadée dépasse la capacité de stockage d’énergie des ressorts mécaniques en acier de plus de 4 ordres de grandeur.
- Il surpasse les batteries Li-ion par un facteur de 3.
- La corde SWCNT torsadée expérimentée peut conserver l'énergie stockée en toute sécurité dans des environnements hostiles.
- Il n’y a pas de limite de temps pour le tournoi. Cependant, si vous restez inactif pendant une longue période, vous serez déconnecté de BBO et la partie sera perdue. pas d'épuisement énergétique au fil du temps.
- Il est accessible à des températures allant de -60 ° C à + 100 ° C.
Les CNT torsadés offrent un meilleur stockage d'énergie que les batteries au lithium
Simple paroi nanotubes de carbone Découvertes en 1993, elles n'ont cessé de démontrer des possibilités uniques pour le développement de dispositifs de conversion et de stockage d'énergie à haute performance. Après avoir surmonté diverses limitations techniques, les scientifiques les ont exploitées. nanotubes dans les batteries, les cellules solaires et les supercondensateurs1.
Mécanismes actuels de stockage d'énergie
Les mécanismes réversibles actuellement utilisés sont les suivants :
- Énergie potentielle électrochimique dans les condensateurs et les batteries.
- Énergie potentielle gravitationnelle dans les réservoirs d'eau surélevés.
- Énergie mécanique.
Le système actuel peut stocker de grandes quantités d'énergie réversible avec une efficacité de récupération d'environ ∼98% dans les aimants supraconducteurs.
Inconvénients
- Cette approche a un coût de réfrigération extrêmement élevé.
- Énergie mécanique stockée statiquement dans des ressorts mécaniques en acier conventionnels ont une faible densité énergétique gravimétrique (GED) d'environ 1.4 × 10−4 MJ kg−1.
- Les batteries lithium-ion ont des valeurs GED ≤ 0.72 MJ kg−1, qui sont 4 ordres de grandeur plus élevées que les ressorts mécaniques.
- Les capacités de stockage d’énergie plus élevées s’accompagnent de risques de sécurité tels que les risques d’incendie.
Voici une comparaison des dispositifs de stockage d'énergie actuelsParmi ceux-ci, seuls quelques-uns sont capables de stocker et de distribuer de l'énergie sur une large plage de températures, notamment dans des capteurs miniatures ou des implants médicaux.
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Caractérisation des câbles SWCNT mécaniquement résistants
Les chercheurs ont utilisé des matériaux commerciaux contenant des SWCNT. Leur diamètre était de 1.5 nm et leur longueur d'environ 1 µm. Différents procédés de fabrication ont permis de fabriquer des cordons de SWCNT.
Les types de cordes générées étaient :
- corde en Y: formé par la méthode du fil
- corde en R: formé par la méthode du laminage
- corde en D: formé par la méthode de dispersion
Pour atteindre l’objectif de l’étude, les chercheurs ont d’abord besoin d'identifier une technique de mesure fiableLa figure ci-dessous illustre les différences en termes de valeurs GED maximales et de perfectionnements graphiques selon la méthode de fabrication utilisée. Ici, la méthode du fil montre les valeurs GED les plus élevées avec une moyenne de 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 à une valeur de torsion moyenne (ε) = 0.95.
Sans aucun traitement supplémentaire, les valeurs GED de tous les types de câbles sont faibles, probablement en raison du regroupement des tubes.
Long:L'assemblage de plusieurs SWCNT en faisceaux, provoquant des contraintes et des distorsions du réseau, est appelé « faisceau tubulaire ». Ce phénomène se produit lorsque les tubes interagissent entre eux, entraînant des défauts et des perturbations, ce qui se traduit par une baisse de la densité de charge.
Les chercheurs ont compris l'influence de la morphologie des faisceaux sur la performance de stockage d'énergie des SWCNT grâce à des micrographies MEB. Ainsi, la GED la plus faible était clairement visible dans la corde en D, caractérisée par la plus petite taille moyenne de faisceau.
Ceci a été soutenu par le analyse de la masse linéique des cordes préparéesOn observe une diminution de la densité linéaire des câbles à mesure qu'ils augmentent. En revanche, la densité linéaire des câbles en Y augmente avec la taille du faisceau. Facteurs contribuant à une faible efficacité
- Tortuosité élevée
- Regroupement de tubes
- Faible densité d'emballage
En raison de ces facteurs, les nanotubes perdent leur efficacité à transférer les charges entre eux. Il en résulte une rigidité et une résistance moindres, ce qui entraîne une faible valeur GED.
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Traitement des renforts de corde : pour remédier aux limites
Ce procédé comprend un traitement polymère visant à améliorer le transfert de charge entre les SWCNT. Les propriétés mécaniques importantes de chaque nanotube ont été préservées au cours du processus. L'étirement des SWCNT est ainsi accéléré, ce qui améliore le stockage d'énergie des cordes. Les chercheurs ont utilisé des polymères tels que le PSS, le PVA, le TPU et le PSL pour améliorer le potentiel de stockage d'énergie des matériaux en Y.
La la figure suivante montre la modification de la corde en Y SWCNT par l'intercalation de polymères ou décomposition du soufre ou du carbone.
Voici les micrographies MEB du brin de SWCNT avant traitement et modifications par TPU. Elles montrent l'évolution de la morphologie globale après modification. L'irradiation par micro-ondes révèle d'importantes différences entre le site interstitiel et la surface du brin de SWCNT enveloppé de TPU (avant et après).
Après irradiation, le TPU fondu a diffusé à travers les sites interstitiels. Ce matériau décorait l'extérieur du SWCNT et agissait comme un lien potentiel pour les tubes et torons adjacents. Ainsi, le compactage du câble en Y était également amélioré. Les câbles intertubes étaient connectés lorsqu'ils étaient compactés. montrent un transfert uniforme et conservent les propriétés mécaniques des échantillons de corde SWCNT à l'échelle nanométrique. Cela conduit en outre à GED supérieur.
Spectres Raman : modifications morphologiques des SWCNT
L'interprétation des chercheurs concernant les changements morphologiques dans les cordes de SWCNT est corroborée par les spectres Raman, comme le montre l'image ci-dessous. La corde Y présente le décalage ascendant le plus important en mode G. Son rapport G/D est de 84.8, ce qui est bien supérieur à celui d'une corde Y déposée en carbone ou en soufre, mais légèrement inférieur à celui d'une corde Y normale.
Impact des modifications des polymères sur les propriétés mécaniques des cordes en Y
Cela a amélioré les propriétés mécaniques des cordes en Y, ce que leurs courbes contrainte-déformation ont confirmé. En particulier, les cordes en Y (TPU) ont les plus grandes valeurs de σB et εb avec un E plus grand que la corde en Y (général). Cela augmente encore le stockage d'énergie mécanique élevée.
La déformation des cordes SWCNT sous pression a été surveillée par spectroscopie Raman in situLe cyclage par torsion a amélioré l'alignement du SWCNT dans la corde. Il a optimisé le transfert de charge entre les tubes.
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Tous les traitements chimiques n'ont pas la même efficacité
Oui, la GED n’a pas augmenté de manière égale dans tous les traitements.
- Avec l'augmentation du nombre de cycles de dépôt de carbone, le GED des cordes en Y (C) a également augmenté.
- Étant donné que la ténacité des cordes montre une forte corrélation avec le GED, l'ajout de plus de soufre aux cordes en Y montre un effet minimal sur l'augmentation de la capacité de stockage d'énergie.
- De même, lors de la comparaison des cordes en Y modifiées par PSL et PSS, une limite de déformation en torsion similaire avec un GED maximal inférieur est montrée par rapport à celles fabriquées en TPU.
- Ces conditions montrent que le carbone et le soufre déposés améliorent le couplage intertube. Cependant, ils ne sont pas aussi efficaces que le TPU pour améliorer le GED.
Production et conversion d'énergie d'une corde en Y torsadée
La production d'énergie directe a été étudiée par la rotation d'une charge (crochet à œil + palette) fixée à celle-ci. Ce dispositif était 4 fois 104 fois plus lourd que les échantillons de corde.
Processus de préparation de la corde pour le test de sortie
Tout d'abord, la corde a été torsadée 10, 20 et 30 fois avec un moteur à 110 tours par minute (tr/min). Ensuite, elle a pu se détorsader avec la charge attachée. Plus précisément, après 10 rotations, la corde s'est détorsadée jusqu'à retrouver environ 90 % de sa configuration initiale.
Cela montre qu'une torsion résiduelle persiste dans la corde même après qu'elle a été détorsadée. Sa présence suggère que apparition d'une certaine dissipation d'énergie causée par la résistance de l'air et le frottement interneLe mouvement périodique du système peut diminuer à cause de cela.
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Autres observations
- Les chercheurs ont observé que les valeurs de Rr (récupération) dépassaient 100 % lors de la rotation inverse d'échantillons de corde en Y en TPU. Ce résultat était évident pour les cordes torsadées 20 et 30 fois vers l'avant.
- De plus, le TPU agissant comme un lien dans les cordes en Y, a permis une récupération d'énergie de déformation d'environ 90 ± 2 % en seulement 1.1 seconde.
- Le temps de détorsion était très court, ce qui signifie une densité de puissance plus élevée d'environ ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1.
- Il y a eu une baisse de l’efficacité énergétique à 65 ± 5 % sans TPU.
- Pendant plus de 20 heures, on a observé une baisse de l'efficacité de récupération d'énergie allant jusqu'à 20 % en raison de modifications structurelles de la corde, causées par l'autodécharge.
- La présence de polymères TPU a réduit efficacement la perte d’énergie mentionnée ci-dessus.
Applications potentielles des cordes SWCNT
D'après les observations, une corde torsadée de SWCNT peut stocker environ trois fois plus d'énergie que les LIB. Pour d'autres applications, un Le système peut être conçu à l'aide de poulies composites ou de joints en CNT. Peut également être utilisé avec des machines à coudre. Ces deux méthodes pourraient permettre de stocker une grande quantité d'énergie nanomécanique dans un format compact.
Conclusions
Les nanotubes de carbone torsadés offrent un meilleur stockage d'énergie que les batteries au lithium, car ils fonctionnent de manière similaire aux ressorts hélicoïdaux en acier, mais ils peuvent stocker beaucoup plus d'énergie que ces derniers. Cette technologie nanomécanique présente plusieurs avantages par rapport aux technologies actuelles en termes de densité énergétique élevée et de rétention d'énergie fiable. De plus, ils peuvent être chargés et déchargés plusieurs fois sans aucun risque de sécurité.
Ce qui constitue un contraste important avec d'autres systèmes. De plus, les câbles SWCNT sont capables de maintenir des températures stables sur une large plage de températures et sont idéaux pour une utilisation médicale biocompatible. De plus, cette technologie permet d'alimenter de petits dispositifs, comme des organes artificiels, pendant de longues périodes sans nécessiter de remplacement chirurgical. En résumé, les câbles SWCNT peuvent résoudre de nombreux problèmes de manière durable.
