持続可能な社会の目標を達成するには、高エネルギー貯蔵装置が必要です。これらは、小型で軽量で、寿命が長く、安全性も高くなければなりません。最終的には、現在のバッテリーやスーパーキャパシタの技術を超える必要があります。これらの要求を満たすために、単層カーボンナノチューブ (SWCNT) が検討されています。SWCNT は、革新的なエネルギーソリューションの潜在的な技術として浮上し、優れた耐久性を示しています。研究者は、ねじれた CNT がリチウム電池よりも優れたエネルギー貯蔵を実現することを発見しました。
研究目的： SWCNTがナノメカニカルエネルギーを可逆的に蓄積する能力を示すこと。
ハイライト
- 熱可塑性ポリウレタンエラストマーで包まれた SWCNT ロープを製造します。
- SWCNT撚ロープは ナノメカニカルエネルギーを可逆的に貯蔵する優れた能力.
- ねじれたロープは最大 2.1 MJ kg−1 の重量密度を実現します。
- ねじれたロープは、機械的な鋼鉄のばねのエネルギー貯蔵容量を 4 桁以上上回ります。
- リチウムイオン電池を上回る 3倍.
- 実験されたねじれた SWCNT ロープは、過酷な環境でも蓄積されたエネルギーを安全に保つことができます。
- があります 時間が経ってもエネルギーが枯渇しない.
- アクセス可能な温度範囲は -60℃〜+ 100℃.
ねじれCNTはリチウム電池よりも優れたエネルギー貯蔵を提供する
単層カーボンナノチューブは1993年に発見されました。それ以来、高性能なエネルギー変換・貯蔵デバイスの開発において、他に類を見ない可能性を示し続けています。様々な技術的制約を克服した後、科学者たちはこれらのナノチューブを電池、太陽電池、スーパーキャパシタなどに利用してきました。
現在のエネルギー貯蔵メカニズム
現在使用されている可逆的なメカニズムには次のものがあります。
- コンデンサとバッテリー内の電気化学的位置エネルギー。
- 高架貯水池における重力による位置エネルギー。
- 機械的エネルギー。
現在のシステムは、超伝導磁石に約98%の効率で大量の可逆エネルギーを蓄積することができる。
デメリット
- この方法では冷蔵コストが非常に高くなります。
- 従来の機械鋼ばねに静的に蓄えられた機械的エネルギー 重量エネルギー密度が低い （GED）は約1.4 × 10−4 MJ kg−1です。
- リチウムイオン電池のGED値は≤0.72 MJ kg−1で、機械式スプリングよりも4桁高くなります。
- エネルギー貯蔵容量が高くなると、火災などの安全上のリスクが伴います。
以下に、現在利用可能なエネルギー貯蔵装置の比較を示します。これらのうち、幅広い温度範囲でエネルギーを貯蔵・供給できるものはごくわずかです。しかも、それらは遠隔操作可能な小型センサーや医療用埋め込み型デバイスに搭載できるものでなければなりません。
研究によると、活性MXeneを用いた費用対効果の高いグリーン水素製造が可能とのことです。
機械的に強靭なSWCNTロープの特性
研究者らは、SWCNT を含む市販の材料を使用しました。材料の直径は 1.5 nm、長さは約 1 µm です。さまざまな製造プロセスを使用して、SWCNT ロープが作られました。
生成されたロープの種類は次のとおりです。
- Yロープ: ヤーン法で形成
- rロープ: ロール方式で成形
- Dロープ: 分散法で形成
研究の目的を達成するには、まず研究者は信頼できる測定技術を特定する必要があります。下の図は、使用された製造方法に基づく最大GED値とグラフィックの完全性の違いを示しています。ここでは、糸法が平均撚り値（ε）= 0.95で平均0.22 ± 0.05 MJ kg−1の最高のGED値を示しています。
それ以上処理を行わない場合、すべてのタイプのロープの GED 値は低くなりますが、これはチューブの束が原因である可能性があります。
用語：複数の単層カーボンナノチューブ（SWCNT）が束になってロープ状になり、歪みや格子歪みが生じる状態をチューブバンドルと呼びます。これはチューブ同士が相互作用することで発生し、欠陥や乱れが生じてGED（成長エネルギー密度）が低下します。
研究者たちは、SEM 顕微鏡写真を通じて、束の形態が SWCNT のエネルギー貯蔵性能に与える影響を理解しました。その結果、平均束サイズが最も小さい d ロープで、GED が最も低いことが明らかになりました。
これは、準備したロープの線密度の分析によって裏付けられました。ロープの線密度が増加するにつれて、GEDが低下することが示されています。一方、Yロープの束のサイズが増加すると、GEDは増加しました。効率低下につながる要因
- 高い屈曲性
- チューブの束ね方
- 低い充填密度
これらの要因により、ナノチューブは相互に荷重を伝達する効率が悪くなり、剛性と強度が低下して GED 値が低くなります。
UNSWによる別の研究では、細菌ナノワイヤーがグリーンエレクトロニクスの開発に役立つことが発見された。
ロープ補強処理：限界に対処する
これには、SWCNT 間の荷重伝達を強化するためのポリマー処理が含まれます。個々のナノチューブの重要な機械的特性は、処理中に保持されました。この方法により、個々の SWCNT の伸張が加速され、ロープのエネルギー貯蔵能力が向上します。研究者は、PSS、PVA、TPU、PSL などのポリマーを使用して、Y ロープ材料のエネルギー貯蔵能力を向上させました。
次の図は、ポリマーのインターカレーション、または硫黄や炭素の分解によるSWCNT yロープの改質を示しています。
これは、処理および TPU 修飾前の SWCNT ロープの SEM 顕微鏡写真です。修飾によって全体的な形態がどのように変化したかを示しています。マイクロ波照射により、TPU で包まれた SWCNT ストランドの間隙部位と表面の間に重要な違いが見られます (前と後)。
照射後、溶融したTPUが間隙サイトを通して拡散した。これによりSWCNTの外側が覆われ、隣接するチューブやストランドの連結剤として機能した。その結果、Y字ロープの密な充填も増加した。チューブ間が連結されたロープは密に充填されると均一な伝達を示し、ナノスケールSWCNTロープサンプルの機械的特性を維持する。これにより、GEDもさらに高くなる。
ラマンスペクトル: SWCNT の形態変化
SWCNT ロープの形態変化に関する研究者の解釈は、以下の画像に示すように、ラマン スペクトルによって裏付けられています。y ロープは、G モードで最も高い上方シフトを示しています。その G/D 比は 84.8 で、これは炭素または硫黄が堆積した y ロープよりもはるかに大きいですが、通常の y ロープよりわずかに小さいです。
ポリマー改質がYロープの機械的特性に与える影響
これにより、yロープの機械的特性が向上し、その応力-ひずみ曲線によってそれが確認されました。特に、yロープ（TPU）は、 yロープ（一般）よりもσBとεbの値が最大で、Eの値も大きくなっています。これにより、高い機械的エネルギー貯蔵能力がさらに向上します。
圧力下におけるSWCNTロープの変形を、その場ラマン分光法によってモニタリングした。ねじりサイクルによってロープ内のSWCNTの配向性が向上し、チューブ間の荷重伝達が最適化された。
東北大学の研究者たちが、マグネシウム充電池に不規則な岩塩型酸化物を使用していることは驚くべきことだ。
すべての化学処理が同じように効果的だったわけではない
はい、GED はすべての治療で同じように増加したわけではありません。
- 炭素堆積サイクルの回数が増加すると、yロープのGED（C）も増加しました。
- ロープの靭性は GED と強い相関関係を示しているため、Y ロープに硫黄を追加しても、エネルギー貯蔵容量の増加には最小限の影響しか見られません。
- 同様に、PSL と PSS で改質された Y ロープを比較すると、TPU で作られたものと比較して、最大 GED が低く、同様のねじりひずみ限界が示されます。
- これらの条件は、堆積した炭素と硫黄がチューブ間の結合を改善することを示しています。ただし、GED の向上に関しては TPU ほど効果的ではありませんでした。
ねじれたYロープのエネルギー出力と変換
直接エネルギーの出力は、取り付けられた負荷（アイフック+パドル）の回転によって調査されました。この装置はロープサンプルの 4 x 104 倍の重さでした。
出力テスト用ロープの準備プロセス
まず、モーターを毎分 10 回転 (RPM) で回転させ、ロープを 20、30、110 回転ねじりました。次に、負荷を取り付けた状態でロープのねじれを解きました。特に、10 回転後には、ロープのねじれは元のねじれのない構成の約 90% に戻りました。
これは、ロープをほどいた後も残留ねじれが残っていることを示している。残留ねじれの存在は、空気抵抗と内部摩擦によって何らかのエネルギー散逸が生じていることを示唆している。このため、システムの周期的な運動が減衰する可能性がある。
別の研究では、KISTの研究者らが安全で経済的な水系二次電池を開発した。
その他の観察
- 研究者らは、TPU Y ロープ サンプルを逆回転させると、Rr (回復) 値が 100% を超えることを観察しました。これは、順方向に 20 回および 30 回ねじられたロープで明らかになりました。
- さらに、TPU は Y ロープのリンクとして機能し、わずか 90 秒で約 2 ± 1.1% のひずみエネルギー回復を可能にしました。
- 解撚時間は非常に短く、これは約≤1.85 ± 0.43 MW kg-1の高い電力密度を意味します。
- TPU がない場合、エネルギー効率は 65 ± 5% に低下しました。
- 20時間以上にわたり、自己放電によるロープの構造変化により、エネルギー回収効率が最大20%低下しました。
- TPU ポリマーの存在により、上記のエネルギー損失が効率的に削減されました。
SWCNTロープの潜在的用途
観測結果によると、ねじったSWCNTロープにはLIBに比べて約3倍のエネルギーを蓄えることができる。さらなる応用として、複合プーリーを用いたシステムを設計することも可能である。また、CNTを用いた縫い目をミシンと組み合わせることも考えられる。どちらの方法も、コンパクトな構造で大きなナノメカニカルエネルギーを蓄えることを可能にするだろう。
結論
ねじれた CNT は、スチール製のコイル スプリングと同様に機能するため、リチウム バッテリーよりも優れたエネルギー貯蔵能力を発揮しますが、貯蔵できるエネルギー量ははるかに多くなります。このナノメカニクス技術は、高エネルギー密度と信頼性の高いエネルギー保持という点で、現在の技術に比べていくつかの利点があります。また、安全性に問題が生じることなく、複数回充電および放電できます。
これは他のシステムと比べると大きな違いです。また、SWCNT ロープは幅広い温度範囲で安定した温度を実現できるため、生体適合性のある医療用途に最適です。さらに、この技術は人工臓器などの小型デバイスに、外科手術による交換を必要とせずに長期間にわたって電力を供給することができます。全体として、SWCNT ロープは持続可能な方法で数多くの問題を解決できます。
