Aby osiągnąć cel zrównoważonego społeczeństwa, potrzebne są urządzenia do magazynowania energii o wysokiej wydajności. Powinny być kompaktowe i lekkie, o dłuższej żywotności i zapewniać dobre bezpieczeństwo. Ostatecznie powinny przewyższyć obecne technologie baterii i superkondensatorów. Aby sprostać tym wymaganiom, rozważane są jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT). Wykazały się one dużą wytrzymałością, stając się potencjalną technologią innowacyjnych rozwiązań energetycznych. Naukowcy odkryli, w jaki sposób skręcone CNT oferują lepsze magazynowanie energii niż baterie litowe.
Cel badania : Wykazanie zdolności SWCNT do odwracalnego magazynowania energii nanomechanicznej.
Najważniejsze
- Produkcja lin SWCNT powlekanych termoplastycznymi elastomerami poliuretanowymi.
- Skręcona lina SWCNT ma dobra zdolność do odwracalnego magazynowania energii nanomechanicznej.
- Liny skręcane osiągają gęstość grawimetryczną do 2.1 MJ kg−1.
- Skręcona lina przewyższa pojemność energetyczną mechanicznych sprężyn stalowych o ponad 4 rzędy wielkości.
- Przewyższa baterie litowo-jonowe o współczynnik 3.
- Eksperymentalna skręcona lina SWCNT może bezpiecznie przechowywać zmagazynowaną energię w nieprzyjaznych warunkach.
- Jest brak wyczerpywania się energii w czasie.
- Dostępny jest w temperaturach od -60°C do +100°C.
Skręcone CNT zapewniają lepsze magazynowanie energii niż baterie litowe
Jednościenne nanorurki węglowe odkryto w 1993 roku. Od tego czasu stale wykazują one unikalne możliwości w zakresie rozwoju wysokowydajnych urządzeń do konwersji i magazynowania energii. Po usunięciu różnych ograniczeń technicznych, naukowcy wykorzystali te nanorurki w bateriach, ogniwach słonecznych i superkondensatorach1.
Obecne mechanizmy magazynowania energii
Obecnie stosowane mechanizmy odwracalne obejmują:
- Energia potencjalna elektrochemiczna w kondensatorach i bateriach.
- Energia potencjalna grawitacyjna w zbiornikach wodnych położonych wysoko.
- Energia mechaniczna.
Obecny system może magazynować duże ilości odwracalnej energii ze sprawnością odzyskiwania rzędu ~ 98% w magnesach nadprzewodzących.
wady
- Takie podejście wiąże się z wyjątkowo wysokimi kosztami chłodzenia.
- Energia mechaniczna magazynowana statycznie w konwencjonalnych sprężynach stalowych mają niską gęstość energii grawimetrycznej (GED) ∼1.4 × 10−4 MJ kg−1.
- Akumulatory litowo-jonowe mają wartość GED ≤0.72 MJ kg−1, która jest o 4 rzędy wielkości wyższa niż w przypadku sprężyn mechanicznych.
- Większa pojemność magazynowania energii niesie za sobą zagrożenia dla bezpieczeństwa, np. możliwość wystąpienia pożaru.
Oto porównanie obecnych urządzeń do magazynowania energii . Spośród nich tylko nieliczne nadają się do magazynowania i dostarczania energii w szerokim zakresie temperatur, również w zdalnie miniaturowych czujnikach lub implantach medycznych.
Zgodnie z badaniami opłacalna jest produkcja zielonego wodoru przy użyciu aktywnych MXenes.
Charakterystyka wytrzymałych mechanicznie lin SWCNT
Naukowcy wykorzystali komercyjnie dostępne materiały zawierające SWCNT. Średnica materiału wynosiła 1.5 nm, a długość około 1 µm. Przy użyciu różnych procesów produkcyjnych wytworzono liny SWCNT.
Wytworzono następujące rodzaje lin:
- lina y:uformowany metodą Yarn
- r-lina:uformowany metodą rolkową
- d-lina:utworzony metodą dyspersji
Aby osiągnąć cel badania, naukowcy muszą najpierw znaleźć wiarygodną technikę pomiaru . Poniższy rysunek przedstawia różnice w maksymalnych wartościach GED i jakości graficznej w zależności od zastosowanej metody produkcji. W tym przypadku metoda przędzy wykazuje najwyższe wartości GED, ze średnią wartością 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 przy średniej wartości skrętu (ε) = 0.95.
Bez dalszego przetwarzania wartości GED wszystkich rodzajów lin są niskie, prawdopodobnie z powodu wiązania rurek.
Termin : Sytuacja, w której kilka nanorurek węglowych (SWCNT) łączy się w liny, powodując naprężenia i odkształcenia sieci, nazywana jest wiązaniem rurek. Dzieje się tak, gdy rury oddziałują na siebie, co prowadzi do defektów i zaburzeń, skutkujących obniżeniem GED.
Naukowcy zrozumieli wpływ morfologii wiązki na wydajność magazynowania energii SWCNT za pomocą mikrofotografii SEM. Zatem najniższy GED był ewidentnie widoczny w d-rope charakteryzującym się najmniejszym średnim rozmiarem wiązki.
Potwierdziła to analiza gęstości liniowej przygotowanych lin . Pokazuje ona spadek GED wraz ze wzrostem gęstości liniowej lin. Z drugiej strony, wraz ze wzrostem rozmiaru wiązki liny Y, wzrastał jej GED. Czynniki prowadzące do niskiej sprawności
- Wysoka krętość
- Pakowanie rur
- Niska gęstość upakowania
Z powodu tych czynników nanorurki stają się nieefektywne w przenoszeniu obciążeń między sobą. Powoduje to sztywność i niższą wytrzymałość, co powoduje niską wartość GED.
W innym badaniu przeprowadzonym przez UNSW odkryto, że nanodruty bakteryjne są pomocne w opracowywaniu zielonej elektroniki
Przetwarzanie Wzmocnień Linowych: Rozwiązywanie Ograniczeń
Obejmuje to obróbkę polimerową w celu zwiększenia przenoszenia obciążeń między SWCNT. Ważne właściwości mechaniczne poszczególnych nanorurek zostały zachowane podczas procesu. Rozciąganie poszczególnych SWCNT przyspiesza dzięki tej metodzie, co sprawia, że liny są lepsze do magazynowania energii. Naukowcy użyli polimerów, takich jak PSS, PVA, TPU i PSL, aby poprawić potencjał magazynowania energii materiałów liny y.
Poniższy rysunek przedstawia modyfikację liny y-SWCNT poprzez interkalację polimerów lub rozkład siarki lub węgla.
To są mikrofotografie SEM liny SWCNT przed obróbką i modyfikacjami TPU. Pokazuje, jak ogólna morfologia zmieniła się po modyfikacji. Napromieniowanie mikrofalowe pokazuje ważne różnice między miejscem śródmiąższowym a powierzchnią pasma SWCNT owiniętego TPU (przed i po).
Po napromieniowaniu, stopiony TPU dyfundował przez przestrzenie międzywęzłowe . Udekorował on zewnętrzną powierzchnię SWCNT i działał jak potencjalny łącznik dla sąsiednich rurek i pasm. W ten sposób zwiększyło się również ścisłe upakowanie liny y. Liny połączone między rurkami, gdy są ściśle upakowane, wykazują równomierny transfer i zachowują właściwości mechaniczne próbek lin SWCNT w skali nano . To dodatkowo prowadzi do wyższego GED.
Widma Ramana: Zmiany morfologiczne w SWCNT
Interpretację badacza dotyczącą zmian morfologicznych w linach SWCNT potwierdzają widma Ramana, jak pokazano na poniższym obrazku. Lina y wykazuje największe przesunięcie w górę w trybie G. Jej stosunek G/D wynosi 84.8, co jest znacznie więcej niż w przypadku liny y osadzonej węglem lub siarką, ale nieco mniej niż w przypadku normalnej liny y.
Wpływ modyfikacji polimerów na właściwości mechaniczne liny Y
Poprawiło to właściwości mechaniczne lin y, co potwierdziły ich krzywe naprężenia i odkształcenia. W szczególności liny y (TPU) mają największe wartości σB i εb, a także większe E niż lina y (ogólnie). To dodatkowo zwiększa zdolność do magazynowania dużej energii mechanicznej.
Odkształcenie lin SWCNT pod wpływem ciśnienia monitorowano za pomocą spektroskopii Ramana in situ . Cykliczne skręcanie poprawiło ułożenie lin SWCNT w linie, optymalizując przenoszenie obciążenia między rurami.
Niesamowite jest odkrycie, że naukowcy z Uniwersytetu Tohoku wykorzystują nieuporządkowane tlenki soli kamiennej do produkcji akumulatorów magnezowych
Nie wszystkie zabiegi chemiczne były równie skuteczne
Tak, GED nie wzrastał w równym stopniu we wszystkich grupach leczonych.
- Wraz ze wzrostem liczby cykli osadzania węgla, GED lin y (C) również wzrastał.
- Ponieważ wytrzymałość lin wykazuje silną korelację z GED, dodanie większej ilości siarki do lin typu Y wykazuje minimalny wpływ na zwiększenie pojemności magazynowania energii.
- Podobnie, porównując liny typu Y modyfikowane metodą PSL i PSS, widać podobną granicę odkształcenia skrętnego przy niższym maksymalnym GED w porównaniu do lin wykonanych z TPU.
- Warunki te pokazują, że osadzony węgiel i siarka poprawiły sprzęganie międzyrurowe. Jednak nie były tak skuteczne jak TPU w zwiększaniu GED.
Wydajność energetyczna i konwersja skręconej liny Y
Wyjście bezpośredniej energii badano poprzez obrót ładunku (hak oczny + wiosło) do niego przymocowanego. Urządzenie to było 4 na 104 razy cięższe od próbek liny.
Proces przygotowania liny do testu wyjściowego
Najpierw linę skręcano o 10, 20 i 30 obrotów za pomocą silnika o 110 obrotach na minutę (RPM). Następnie pozwolono jej się rozkręcić z przymocowanym obciążeniem. W szczególności po 10 obrotach lina rozkręciła się z powrotem do około 90% pierwotnej konfiguracji bez skręcania.
Pokazuje to, że resztkowy skręt pozostaje w linie nawet po jej rozkręceniu. Jego obecność sugeruje występowanie pewnego rozproszenia energii spowodowanego oporem powietrza i tarciem wewnętrznym . Z tego powodu może zanikać ruch okresowy układu.
W innym badaniu naukowcy z KIST opracowali bezpieczny i ekonomiczny akumulator wodny.
Inne obserwacje
- Badacze zaobserwowali, że wartości Rr (odzysku) przekraczają 100% podczas odwrotnego obrotu próbek liny TPU y. Było to widoczne w linach skręconych 20 i 30 razy w kierunku do przodu.
- Co więcej, TPU działając jako ogniwo w linach y pozwoliło na odzyskanie energii odkształcenia na poziomie około 90 ± 2% w zaledwie 1.1 sekundy.
- Czas odkręcania był bardzo krótki, co oznacza wyższą gęstość mocy wynoszącą około ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1.
- Bez TPU efektywność energetyczna spadła do 65 ± 5%.
- Przez ponad 20 godzin odnotowano spadek efektywności odzyskiwania energii aż o 20% z powodu zmian strukturalnych liny wywołanych samorozładowaniem.
- Obecność polimerów TPU skutecznie zredukowała wyżej wymienioną utratę energii.
Potencjalne zastosowania lin SWCNT
Zgodnie z obserwacjami, w skręconej linie SWCNT można zgromadzić około 3 razy więcej energii niż w linach LIB. Do dalszych zastosowań, system można zaprojektować z wykorzystaniem bloczków kompozytowych. Szwy z użyciem CNT można również stosować w maszynach do szycia. Obie metody mogą pozwolić na magazynowanie dużej energii nanomechanicznej w kompaktowej konstrukcji.
wnioski
Skręcone CNT oferują lepsze magazynowanie energii niż baterie litowe, ponieważ działają podobnie do sprężyn stalowych, ale mogą magazynować znacznie więcej energii niż one. Ta technologia nanomechaniczna wykazuje kilka zalet w porównaniu z obecnymi technologiami pod względem wysokiej gęstości energii i niezawodnego zatrzymywania energii. Ponadto można je ładować i rozładowywać wielokrotnie bez ryzyka związanego z bezpieczeństwem.
Co stanowi duży kontrast w porównaniu z innymi systemami. Ponadto liny SWCNT są w stanie dostarczać stałe temperatury w szerokim zakresie temperatur i są idealne do biokompatybilnego użytku medycznego. Ponadto technologia ta może zasilać małe urządzenia, takie jak sztuczne organy, przez dłuższy czas bez konieczności wymiany chirurgicznej. Podsumowując, liny SWCNT mogą rozwiązać wiele problemów w zrównoważony sposób.
