Om het doel van een duurzame samenleving te bereiken, zijn apparaten voor energieopslag nodig. Ze moeten compact en licht zijn, een langere levensduur hebben en een goede veiligheid bieden. Uiteindelijk moeten ze de huidige batterij- en supercondensatortechnologieën overtreffen. Om aan deze eisen te voldoen, worden enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's) overwogen. Ze hebben een grote taaiheid getoond bij hun opkomst als een potentiële technologie voor innovatieve energieoplossingen. Onderzoekers ontdekten hoe gedraaide CNT's een betere energieopslag bieden dan lithiumbatterijen.
Doel van de studie : Aantonen dat SWCNT's in staat zijn om nanomechanische energie omkeerbaar op te slaan.
Hoogtepunten
- Voor de productie van SWCNT-touwen, omwikkeld met thermoplastische polyurethaanelastomeren.
- SWCNT gedraaid touw heeft een goed vermogen om nanomechanische energie reversibel op te slaan.
- Gedraaide touwen bereiken een gravimetrische dichtheid van maximaal 2.1 MJ kg−1.
- Het gedraaide touw overtreft de energieopslagcapaciteit van mechanische stalen veren met meer dan 4 ordegroottes.
- Het overtreft Li-ion-batterijen met een factor 3.
- Het geëxperimenteerde gedraaide SWCNT-touw kan opgeslagen energie veilig bewaren in vijandige omgevingen.
- Er is geen energieverlies in de loop van de tijd.
- Het is toegankelijk bij temperaturen variërend van -60 ° C tot + 100 ° C.
Gedraaide CNT's bieden betere energieopslag dan lithiumbatterijen
Enkelwandige koolstofnanobuisjes werden in 1993 ontdekt. Sindsdien hebben ze voortdurend unieke mogelijkheden getoond voor de ontwikkeling van hoogwaardige energieomzettings- en opslagapparaten. Na het oplossen van diverse technische beperkingen hebben wetenschappers deze nanobuisjes gebruikt in batterijen, zonnecellen en supercondensatoren1.
Huidige energieopslagmechanismen
De momenteel gebruikte omkeerbare mechanismen omvatten het volgende:
- Elektrochemische potentiële energie in condensatoren en batterijen.
- Zwaartekrachtspotentiële energie in verhoogde waterreservoirs.
- Mechanische energie.
Het huidige systeem kan grote hoeveelheden omkeerbare energie opslaan met een terugwinningsrendement van ongeveer 98% in supergeleidende magneten.
Nadelen
- Deze aanpak brengt extreem hoge koelkosten met zich mee.
- Mechanische energie statisch opgeslagen in conventionele mechanische stalen veren hebben een lage gravimetrische energiedichtheid (GED) van ∼1.4 × 10−4 MJ kg−1.
- Lithium-ionbatterijen hebben een GED-waarde van ≤0.72 MJ kg−1, wat vier ordes van grootte hoger is dan mechanische veren.
- Hoe groter de energieopslagcapaciteit, hoe groter de veiligheidsrisico's, zoals brandgevaar.
Hier volgt een vergelijking van de huidige energieopslagapparaten . Slechts een paar daarvan zijn geschikt om energie op te slaan en af te geven over een breed temperatuurbereik. En dat bovendien in minuscule sensoren of medische implantaten.
Uit onderzoek blijkt dat er sprake is van kosteneffectieve productie van groene waterstof met actieve MXenes.
Karakterisering van mechanisch sterke SWCNT-touwen
Onderzoekers gebruikten commercieel beschikbare materialen die SWCNT's bevatten. De diameter van het materiaal was 1.5 nm en de lengte ongeveer 1 µm. Door verschillende fabricageprocessen te gebruiken, werden SWCNT-touwen gemaakt.
De volgende soorten touwen werden gegenereerd:
- y-touw: gevormd door de garenmethode
- r-touw: gevormd door de rolmethode
- d-touw: gevormd door dispersiemethode
Om het doel van de studie te bereiken, moeten onderzoekers eerst een betrouwbare meettechniek identificeren . Onderstaande figuur toont de verschillen in maximale GED-waarden en grafische perfectie op basis van de gebruikte fabricagemethode. De garenmethode laat de hoogste GED-waarden zien met een gemiddelde van 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 bij een gemiddelde twistwaarde (ε) = 0.95.
Zonder verdere bewerking zijn de GED-waarden van alle soorten touwen laag, mogelijk als gevolg van de bundeling van buizen.
Term : Een situatie waarbij meerdere SWCNT's samenkomen in strengen, wat spanning en roostervervormingen veroorzaakt, staat bekend als buisbundeling. Dit gebeurt wanneer buizen met elkaar in wisselwerking treden, wat leidt tot defecten en verstoringen met als gevolg een lagere GED (Grain Energy Density).
Onderzoekers begrepen de invloed van bundelmorfologie op de prestaties van SWCNTs energieopslag door middel van SEM-micrografieën. Zo was de laagste GED duidelijk zichtbaar in d-rope gekenmerkt door de kleinste gemiddelde bundelgrootte.
Dit werd bevestigd door de analyse van de lineaire dichtheid van de geprepareerde touwen . Deze analyse toonde een afname van de GED aan naarmate de lineaire dichtheid van de touwen toenam. Aan de andere kant nam de GED toe naarmate de bundelgrootte van het y-touw toenam. Factoren die leiden tot een lage efficiëntie
- Hoge kronkeligheid
- Buisbundeling
- Lage pakkingsdichtheid
Door deze factoren worden nanotubes inefficiënt in het overbrengen van ladingen tussen elkaar. Dit resulteert in stijfheid en lagere sterkte, wat een lage GED-waarde veroorzaakt.
In een ander onderzoek van UNSW werd ontdekt dat bacteriële nanodraden nuttig zijn voor de ontwikkeling van groene elektronica.
Verwerking van touwversterking: de beperkingen aanpakken
Dit omvat een polymeerbehandeling om de inter-SWCNT-belastingsoverdracht te verbeteren. De belangrijke mechanische eigenschappen van individuele nanotubes bleven behouden tijdens het proces. Het uitrekken van individuele SWCNT's versnelt door deze methode, waardoor de touwen beter geschikt zijn voor energieopslag. Onderzoekers gebruikten polymeren zoals PSS, PVA, TPU en PSL om het energieopslagpotentieel van y-touwmaterialen te verbeteren.
De volgende afbeelding toont de modificatie van SWCNT-y-touw door de intercalatie van polymeren of de ontleding van zwavel of koolstof.
Dit zijn de SEM-micrografieën van het SWCNT-touw vóór verwerking en TPU-modificaties. Het laat zien hoe de algehele morfologie veranderde na modificatie. Microgolfbestraling toont belangrijke verschillen tussen de interstitiële site en het oppervlak van de TPU-omwikkelde SWCNT-streng (voor en na).
Na bestraling diffundeerde gesmolten TPU door de interstitiële ruimtes . Dit bedekte de buitenkant van de SWCNT en fungeerde als een potentiële verbinding voor de aangrenzende buizen en strengen. Hierdoor nam ook de dichtheid van de y-vormige streng toe. De onderling verbonden strengen vertonen een uniforme overdracht en behouden de mechanische eigenschappen van de nanoschaal SWCNT-strengen . Dit leidt verder tot een hogere GED.
Raman-spectra: morfologische veranderingen in SWCNT
De interpretatie van de onderzoekers over de morfologische veranderingen in SWCNT-touwen wordt ondersteund door de Raman-spectra, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Het y-touw vertoont de hoogste opwaartse verschuiving in de G-modus. De G/D-verhouding is 84.8, wat veel groter is dan koolstof- of zwavelafgezet y-touw, maar iets minder dan normaal y-touw.
Polymeermodificaties hebben invloed op de mechanische eigenschappen van Y-touwen
Dit verbeterde de mechanische eigenschappen van y-touwen, wat werd bevestigd door hun spannings-rekcurves. Met name y-touwen (TPU) vertonen de grootste waarden van σB en εb, samen met een grotere E dan het y-touw (algemeen). Dit leidt tot een nog hogere opslagcapaciteit voor mechanische energie.
De vervorming van SWCNT-touwen onder druk werd in situ gemonitord met behulp van Raman-spectroscopie . Door cyclisch draaien werd de uitlijning van de SWCNT's binnen het touw verbeterd. Dit optimaliseerde de krachtoverdracht tussen de buizen.
Het is verbazingwekkend dat onderzoekers van de Tohoku-universiteit ongeordende steenzoutoxiden gebruiken voor oplaadbare magnesiumbatterijen.
Niet alle chemische behandelingen waren even effectief
Ja, GED nam niet bij alle behandelingen evenveel toe.
- Naarmate het aantal koolstofafzettingscycli toenam, nam ook de GED van y-touwen (C) toe.
- Omdat de taaiheid van de touwen een sterke correlatie vertoont met de GED, heeft het toevoegen van meer zwavel aan Y-touwen minimaal effect op de toename van de energieopslagcapaciteit.
- Bij een vergelijking van Y-kabels die zijn aangepast met PSL en PSS, wordt een vergelijkbare torsiebelastingslimiet met een lagere maximale GED aangetoond in vergelijking met de kabels die zijn gemaakt van TPU.
- Deze omstandigheden laten zien dat afgezet koolstof en zwavel de intertube-koppeling verbeterden. Ze waren echter niet zo effectief als TPU in het verbeteren van de GED.
Energieopbrengst en omzetting van gedraaide Y-kabel
De output van directe energie werd onderzocht door de rotatie van een last (oog-haak+peddel) die eraan vast zat. Dit apparaat was 4 bij 104 keer zwaarder dan de touwmonsters.
Proces van het voorbereiden van touw voor de outputtest
Eerst werd het touw 10, 20 en 30 keer gedraaid met een motor op 110 rotaties per minuut (RPM). Daarna mocht het losdraaien met de lading eraan bevestigd. Met name na 10 rotaties was het touw teruggedraaid tot ongeveer 90% van de oorspronkelijke ongetwiste configuratie.
Het laat zien dat er een restdraaiing in het touw achterblijft, zelfs nadat het is ontward. De aanwezigheid hiervan suggereert dat er energie verloren gaat door luchtweerstand en interne wrijving . Hierdoor kan de periodieke beweging van het systeem afnemen.
In een ander onderzoek hebben KIST-onderzoekers een veilige en economische oplaadbare batterij op waterbasis ontwikkeld.
Andere waarnemingen
- Onderzoekers observeerden dat Rr (herstel) waarden 100% overschrijden tijdens de omgekeerde rotatie van TPU y-touw monsters. Dit was duidelijk zichtbaar in touwen die 20 en 30 keer in de voorwaartse richting waren gedraaid.
- Bovendien zorgde TPU, dat als schakel in Y-kabels fungeerde, voor een herstel van de vervormingsenergie van ongeveer 90 ± 2% in slechts 1.1 seconde.
- De ontwarringstijd was zeer kort, wat een hogere vermogensdichtheid van ongeveer ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1 betekent.
- Zonder TPU was er sprake van een daling van de energie-efficiëntie tot 65 ± 5%.
- Gedurende meer dan 20 uur was er sprake van een afname van 20% in de energieterugwinningsefficiëntie vanwege structurele veranderingen in het touw, veroorzaakt door zelfontlading.
- De aanwezigheid van TPU-polymeren zorgt voor een efficiënte vermindering van het hierboven genoemde energieverlies.
Mogelijke toepassingen van SWCNT-touwen
Uit de waarnemingen blijkt dat er ongeveer drie keer zoveel energie kan worden opgeslagen in een gedraaid touw van SWCNT's in vergelijking met lithium-ionbatterijen. Voor verdere toepassingen kan een systeem worden ontworpen met behulp van composietkatrollen. Of er kunnen ook naden van CNT's worden gebruikt in combinatie met naaimachines. Beide methoden zouden het mogelijk maken om grote hoeveelheden nanomechanische energie compact op te slaan.
Conclusies
De gedraaide CNT's bieden een betere energieopslag dan lithiumbatterijen, omdat ze op dezelfde manier werken als stalen spiraalveren, maar ze kunnen veel meer energie opslaan dan deze. Deze nanomechanische technologie toont verschillende voordelen ten opzichte van huidige technologieën in termen van hoge energiedichtheid en betrouwbare energieretentie. Ook kunnen ze meerdere keren worden opgeladen en ontladen zonder dat er enig veiligheidsrisico aan verbonden is.
Dat is een groot contrast vergeleken met andere systemen. Bovendien kunnen SWCNT-touwen stabiele temperaturen leveren over een breed temperatuurbereik en zijn ze ideaal voor biocompatibel medisch gebruik. Bovendien kan deze technologie kleine apparaten zoals kunstmatige organen van stroom voorzien, gedurende langere perioden zonder dat chirurgische vervanging nodig is. Al met al kunnen SWCNT-touwen talloze problemen op een duurzame manier oplossen.
