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: Om de vermogen van SWCNT om nanomechanische energie reversibel 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
Enkelwandig koolstof nanobuisjes werden ontdekt in 1993. Sindsdien hebben ze voortdurend unieke mogelijkheden getoond om energieconversie- en opslagapparaten met hoge prestaties te ontwikkelen. Nadat ze verschillende technische beperkingen hadden opgelost, hebben wetenschappers deze nanobuisjes 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 terughaalrendement 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 is een vergelijking van huidige energieopslagapparaten. Slechts een paar hiervan zijn geschikt om energie op te slaan en te leveren over een breed temperatuurbereik. En dat ook nog eens in op afstand miniatuursensoren of medische implantaatapparaten.
Volgens een onderzoek Kosteneffectieve groene waterstofproductie 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 het onderzoek te bereiken, moeten onderzoekers eerst behoefte aan het identificeren van een betrouwbare meetmethode. Deze afbeelding hieronder toont de verschillen in termen van max GED-waarden en grafische perfecties op basis van de gebruikte fabricagemethode. Hier, garenmethode toont de hoogste GED-waarden 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.
Termijn: Een situatie waarin meerdere SWCNT's samenkomen in touwen, wat spanning en roostervervormingen veroorzaakt, staat bekend als tube bundling. Het gebeurt wanneer buizen met elkaar interacteren, wat leidt tot defecten en stoornissen die resulteren in een lagere GED.
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 ondersteund door de analyse van de lineaire dichtheid van de voorbereide touwen. Het toont een afname in de GED als de lineaire dichtheid van de touwen toeneemt. Aan de andere kant, met toename in bundelgrootte van y-touw, nam de GED toe. Factoren die leiden tot 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.
Uit een ander onderzoek van UNSW bleek dat bacterie nanodraden zijn behulpzaam bij 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 De volgende afbeelding toont de modificatie van het SWCNT Y-touw door de intercalatie van polymeren of 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 plekken. Dit verfraaide de buitenkant van de SWCNT en fungeert als een potentiële linker voor de aangrenzende buizen en strengen. Zo nam ook de dichte pakking van het y-touw toe. Intertube verbond touwen wanneer ze dicht op elkaar zaten vertonen een uniforme overdracht en behouden de mechanische eigenschappen van de nanoschaal SWCNT-touwmonstersDit leidt verder tot 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 hun spanning-rekcurves bevestigden. In het bijzonder, Y-touwen (TPU) hebben de grootste waarden van σB en εb samen met de grotere E dan het y-touw (algemeen). Dit verhoogt verder de hoge mechanische energieopslag.
De vervorming van SWCNT-kabels onder druk werd gemonitord door in-situ Raman-spectroscopie. Twist cycling verbeterde de uitlijning van de SWCNT binnen het touw. Het optimaliseerde de lastoverdracht tussen de buizen.
Het is verbazingwekkend om te ontdekken dat Onderzoekers van de Tohoku-universiteit gebruiken ongeordende steenzoutoxiden 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 losgedraaid. De aanwezigheid ervan suggereert dat optreden van een zekere energieverspilling veroorzaakt door luchtweerstand en interne wrijvingDe periodieke beweging van het systeem kan hierdoor afnemen.
In een ander onderzoek, KIST-onderzoekers ontwikkelen veilige en economische oplaadbare waterbatterij.
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
Volgens de observaties kan er ongeveer 3 keer meer energie worden opgeslagen in gedraaide SWCNT-touwen in vergelijking met LIB's. Voor verdere toepassingen, een systeem kan worden ontworpen door gebruik te maken van samengestelde katrollen. Of naden met behulp van CNT's kan ook worden gebruikt met naaimachines kan ook worden gebruikt. Beide methoden kunnen het mogelijk maken om grote nanomechanische energie op te slaan in een compact.
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.
