Per raggiungere l'obiettivo di una società sostenibile, sono necessari dispositivi di accumulo ad alta energia. Dovrebbero essere compatti e leggeri, con durate di vita più lunghe e offrire una buona sicurezza. In definitiva, dovrebbero superare le attuali tecnologie di batterie e supercondensatori. Per soddisfare queste esigenze, si stanno prendendo in considerazione i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT). Hanno dimostrato una grande tenacia nell'emergere come una potenziale tecnologia per soluzioni energetiche innovative. I ricercatori hanno scoperto come i CNT intrecciati offrano un migliore accumulo di energia rispetto alle batterie al litio.
Obiettivo dello studio : dimostrare la capacità dei nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) di immagazzinare in modo reversibile energia nanomeccanica.
Punti Salienti
- Per produrre funi SWCNT avvolte in elastomeri poliuretanici termoplastici.
- La corda ritorta SWCNT ha una buona capacità di immagazzinare in modo reversibile energia nanomeccanica.
- Le corde intrecciate raggiungono una densità gravimetrica fino a 2.1 MJ kg−1.
- La corda intrecciata supera di oltre 4 ordini di grandezza la capacità di accumulo di energia delle molle meccaniche in acciaio.
- Supera le batterie agli ioni di litio di un fattore di 3.
- La corda SWCNT intrecciata sperimentata può conservare l'energia immagazzinata in modo sicuro in ambienti ostili.
- C'è nessun esaurimento energetico nel tempo.
- È accessibile a temperature comprese tra Da -60 ° C a + 100 ° C.
I CNT intrecciati offrono un migliore accumulo di energia rispetto alle batterie al litio
I nanotubi di carbonio a parete singola sono stati scoperti nel 1993. Da allora, hanno continuamente dimostrato le loro straordinarie potenzialità nello sviluppo di dispositivi ad alte prestazioni per la conversione e l'accumulo di energia. Dopo aver superato diverse limitazioni tecniche, gli scienziati hanno utilizzato questi nanotubi in batterie, celle solari e supercondensatori1.
Meccanismi attuali di accumulo di energia
I meccanismi reversibili attualmente utilizzati includono quanto segue:
- Energia potenziale elettrochimica nei condensatori e nelle batterie.
- Energia potenziale gravitazionale nei bacini idrici elevati.
- Energia meccanica.
Il sistema attuale è in grado di immagazzinare grandi quantità di energia reversibile con un'efficienza di recupero di circa il 98% in magneti superconduttori.
svantaggi
- Questo approccio comporta costi di refrigerazione estremamente elevati.
- Energia meccanica immagazzinata staticamente in molle meccaniche convenzionali in acciaio hanno una bassa densità di energia gravimetrica (GED) di ∼1.4 × 10−4 MJ kg−1.
- Le batterie agli ioni di litio hanno valori GED ≤0.72 MJ kg−1, che sono 4 ordini di grandezza superiori a quelli delle molle meccaniche.
- Le maggiori capacità di accumulo di energia comportano rischi per la sicurezza, come ad esempio incendi.
Ecco un confronto tra i dispositivi di accumulo di energia attualmente disponibili . Tra questi, solo pochi sono adatti a immagazzinare e fornire energia in un ampio intervallo di temperature. E questo, per di più, in sensori miniaturizzati o dispositivi impiantabili per uso medico.
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Caratterizzazione delle corde SWCNT meccanicamente resistenti
I ricercatori hanno utilizzato materiali disponibili in commercio contenenti SWCNT. Il diametro del materiale era di 1.5 nm e la lunghezza di circa 1 µm. Utilizzando diversi processi di fabbricazione, sono state realizzate corde SWCNT.
I tipi di corde generate erano:
- corda a Y: formato con il metodo Yarn
- r-corda: formato con metodo a rulli
- corda D: formato con metodo di dispersione
Per raggiungere l'obiettivo dello studio, i ricercatori devono innanzitutto identificare una tecnica di misurazione affidabile . La figura seguente mostra le differenze in termini di valori GED massimi e perfezione grafica in base al metodo di fabbricazione utilizzato. In questo caso, il metodo del filato mostra i valori GED più elevati con una media di 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 a un valore medio di torsione (ε) = 0.95.
Senza ulteriori lavorazioni, i valori GED di tutti i tipi di funi risultano bassi, probabilmente a causa della legatura dei tubi.
Termine : Una situazione in cui diversi SWCNT si uniscono a formare delle corde, causando tensione e distorsioni del reticolo, è nota come raggruppamento dei tubi. Si verifica quando i tubi interagiscono tra loro, portando a difetti e disordini che si traducono in una minore GED.
I ricercatori hanno compreso l'influenza della morfologia del fascio sulle prestazioni di accumulo di energia degli SWCNT tramite micrografie SEM. Pertanto, il GED più basso era evidentemente visibile in d-rope caratterizzato dalla dimensione media del fascio più piccola.
Ciò è stato supportato dall'analisi della densità lineare delle corde preparate . Essa mostra un calo del GED all'aumentare della densità lineare delle corde. D'altra parte, con l'aumento della dimensione del fascio di corde a Y, il suo GED è aumentato. Fattori che portano a una bassa efficienza
- Alta tortuosità
- Fascicolamento dei tubi
- Bassa densità di imballaggio
A causa di questi fattori, i nanotubi diventano inefficienti nel trasferire carichi tra loro. Ciò si traduce in rigidità e minore resistenza, che causa un basso valore GED.
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Lavorazione del rinforzo della fune: per affrontare le limitazioni
Ciò include un trattamento polimerico per migliorare il trasferimento del carico inter-SWCNT. Le importanti proprietà meccaniche dei singoli nanotubi sono state preservate durante il processo. Lo stiramento dei singoli SWCNT accelera attraverso questo metodo, rendendo le corde migliori per l'accumulo di energia. I ricercatori hanno utilizzato polimeri come PSS, PVA, TPU e PSL per migliorare il potenziale di accumulo di energia dei materiali y-rope.
La figura seguente mostra la modifica della struttura a Y in SWCNT mediante l'intercalazione di polimeri o la decomposizione di zolfo o carbonio.
Questa è la micrografia SEM della corda SWCNT prima dell'elaborazione e delle modifiche TPU. Mostra come la morfologia complessiva è cambiata dopo la modifica. L'irradiazione a microonde mostra importanti differenze tra il sito interstiziale e la superficie del filamento SWCNT avvolto in TPU (prima e dopo).
Dopo l'irradiazione, il TPU fuso si è diffuso attraverso i siti interstiziali . Questo ha decorato la superficie esterna dei SWCNT e ha agito come un potenziale collegamento per i tubi e i filamenti adiacenti. Pertanto, è aumentato anche l'impacchettamento compatto della corda a Y. Le corde collegate tra i tubi, quando sono impacchettate in modo compatto, mostrano un trasferimento uniforme e mantengono le proprietà meccaniche dei campioni di corda di SWCNT su scala nanometrica . Ciò porta ulteriormente a un GED più elevato.
Spettri Raman: cambiamenti morfologici in SWCNT
L'interpretazione del ricercatore sui cambiamenti morfologici nelle corde SWCNT è supportata dagli spettri Raman, come mostrato nell'immagine sottostante. La corda y mostra il più alto spostamento verso l'alto nella modalità G. Il suo rapporto G/D è 84.8, che è molto più grande della corda y depositata in carbonio o zolfo ma leggermente inferiore alla corda y normale.
Le modifiche dei polimeri hanno un impatto sulle proprietà meccaniche della corda a Y
Ciò ha migliorato le proprietà meccaniche delle funi a Y, come confermato dalle loro curve sforzo-deformazione. In particolare, le funi a Y (TPU) presentano i valori più elevati di σB ed εb, insieme a un valore di E maggiore rispetto alla fune a Y (generale). Questo contribuisce ulteriormente all'accumulo di energia meccanica.
La deformazione delle corde di SWCNT sotto pressione è stata monitorata mediante spettroscopia Raman in situ . Il ciclo di torsione ha migliorato l'allineamento degli SWCNT all'interno della corda, ottimizzando il trasferimento del carico tra i tubi.
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Non tutti i trattamenti chimici sono ugualmente efficaci
Sì, il GED non è aumentato in modo uniforme in tutti i trattamenti.
- Con l'aumento del numero di cicli di deposizione del carbonio, è aumentato anche il GED delle corde a Y (C).
- Poiché la tenacità delle corde mostra una forte correlazione con il GED, l'aggiunta di più zolfo alle corde a Y mostra un effetto minimo sull'aumento della capacità di accumulo di energia.
- Allo stesso modo, confrontando le corde a Y modificate da PSL e PSS, si evidenzia un limite di deformazione torsionale simile con GED massimo inferiore rispetto a quelle realizzate in TPU.
- Queste condizioni mostrano che il carbonio e lo zolfo depositati hanno migliorato l'accoppiamento intertubo. Tuttavia, non sono stati efficaci quanto il TPU nel migliorare il GED.
Produzione di energia e conversione della corda a Y attorcigliata
L'output di energia diretta è stato studiato tramite la rotazione di un carico (gancio a occhiello+paletta) ad esso collegato. Questo dispositivo era 4 per 104 volte più pesante dei campioni di corda.
Processo di preparazione della fune per il test di uscita
Per prima cosa, la fune è stata attorcigliata per 10, 20 e 30 rotazioni con un motore a 110 rotazioni al minuto (RPM). Poi, è stata lasciata srotolare con il carico attaccato. In particolare, dopo 10 rotazioni, la fune si è srotolata fino a circa il 90% della configurazione originale non attorcigliata.
Ciò dimostra che nella fune rimane una torsione residua anche dopo che è stata distesa. La sua presenza suggerisce la presenza di una certa dissipazione di energia causata dalla resistenza dell'aria e dall'attrito interno . Il moto periodico del sistema può smorzarsi a causa di ciò.
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Altre osservazioni
- I ricercatori hanno osservato che i valori Rr (recupero) superano il 100% durante la rotazione inversa dei campioni di corda y in TPU. Ciò era evidente nelle corde che erano state attorcigliate 20 e 30 volte in avanti.
- Inoltre, il TPU, agendo come collegamento nelle corde a Y, ha consentito un recupero dell'energia di deformazione di circa il 90 ± 2% in soli 1.1 secondi.
- Il tempo di scioglimento è stato molto breve, il che significa una densità di potenza più elevata, pari a circa ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1.
- Si è riscontrato un calo dell'efficienza energetica al 65 ± 5% senza TPU.
- Per oltre 20 ore si è registrato un calo fino al 20% dell'efficienza del recupero energetico a causa di modifiche strutturali della fune, causate dall'autoscarica.
- La presenza di polimeri TPU ha ridotto efficacemente la suddetta perdita di energia.
Possibili applicazioni delle corde SWCNT
Secondo le osservazioni, è possibile immagazzinare circa 3 volte più energia in una corda di SWCNT intrecciata rispetto alle batterie agli ioni di litio. Per ulteriori applicazioni, è possibile progettare un sistema utilizzando pulegge composite. In alternativa, si possono utilizzare cuciture realizzate con CNT e macchine da cucire. Entrambi i metodi potrebbero consentire di immagazzinare una grande quantità di energia nanomeccanica in un formato compatto.
Conclusioni
I CNT intrecciati offrono un migliore accumulo di energia rispetto alle batterie al litio, poiché funzionano in modo simile alle molle elicoidali in acciaio, ma possono immagazzinare molta più energia di queste. Questa tecnologia nanomeccanica mostra diversi vantaggi rispetto alle tecnologie attuali in termini di elevata densità di energia e affidabile ritenzione di energia. Inoltre, possono essere caricati e scaricati più volte senza alcun rischio di sicurezza ad essi associato.
Che è un grande contrasto se confrontato con altri sistemi. Inoltre, le corde SWCNT sono in grado di fornire temperature costanti su un ampio intervallo di temperatura e sono ideali per uso medico biocompatibile. Inoltre, questa tecnologia può alimentare piccoli dispositivi come organi artificiali, per periodi di tempo più lunghi senza alcun requisito di sostituzione chirurgica. Tutto sommato, le corde SWCNT possono risolvere numerosi problemi in modo sostenibile.
