Para atingir a meta de uma sociedade sustentável, são necessários dispositivos de armazenamento de alta energia. Eles devem ser compactos e leves, com maior vida útil e devem oferecer boa segurança. Por fim, eles devem superar as atuais tecnologias de baterias e supercapacitores. Para atender a essas demandas, nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) estão sendo considerados. Eles demonstraram grande resistência ao emergir como uma tecnologia potencial para soluções energéticas inovadoras. Pesquisadores descobriram como os CNTs torcidos oferecem melhor armazenamento de energia do que as baterias de lítio.
Objetivo do estudo : Demonstrar a capacidade dos nanotubos de carbono de parede simples (SWCNT) de armazenar energia nanomecânica de forma reversível.
Destaques
- Para produzir cordas SWCNT envoltas em elastômeros de poliuretano termoplástico.
- A corda torcida SWCNT tem uma boa capacidade de armazenar reversivelmente energia nanomecânica.
- Cordas torcidas atingem uma densidade gravimétrica de até 2.1 MJ kg−1.
- A corda torcida supera a capacidade de armazenamento de energia das molas mecânicas de aço em mais de 4 ordens de grandeza.
- Supera as baterias de íons de lítio por um fator de 3.
- A corda SWCNT torcida experimentada pode manter a energia armazenada segura em ambientes hostis.
- Não há sem esgotamento de energia ao longo do tempo.
- É acessível em temperaturas que variam de -60 ° C a + 100 ° C.
CNTs torcidos oferecem melhor armazenamento de energia do que baterias de lítio
Os nanotubos de carbono de parede única foram descobertos em 1993. Desde então, eles têm demonstrado continuamente possibilidades únicas para o desenvolvimento de dispositivos de conversão e armazenamento de energia de alto desempenho. Após a superação de diversas limitações técnicas, os cientistas têm utilizado esses nanotubos em baterias, células solares e supercapacitores¹.
Mecanismos Atuais de Armazenamento de Energia
Os mecanismos reversíveis atualmente utilizados incluem os seguintes:
- Energia potencial eletroquímica em capacitores e baterias.
- Energia potencial gravitacional em reservatórios de água elevados.
- Energia mecânica.
O sistema atual pode armazenar grandes quantidades de energia reversível com uma eficiência de recuperação de cerca de ∼ 98% em ímãs supercondutores.
desvantagens
- Essa abordagem tem um custo de refrigeração extremamente alto.
- Energia mecânica armazenada estaticamente em molas de aço mecânicas convencionais têm uma baixa densidade de energia gravimétrica (GED) de ∼1.4 × 10−4 MJ kg−1.
- As baterias de íons de lítio têm valores de GED ≤0.72 MJ kg−1, que são 4 ordens de magnitude maiores que as molas mecânicas.
- As maiores capacidades de armazenamento de energia são acompanhadas de riscos de segurança, como incêndio.
Aqui está uma comparação dos dispositivos de armazenamento de energia atuais . Dentre eles, apenas alguns são adequados para armazenar e fornecer energia em uma ampla faixa de temperaturas. E mesmo assim, em sensores miniaturizados ou dispositivos médicos implantáveis.
De acordo com uma pesquisa sobre a produção de hidrogênio verde com baixo custo utilizando MXenes ativos.
Caracterização de cordas SWCNT mecanicamente resistentes
Os pesquisadores usaram materiais disponíveis comercialmente contendo SWCNTs. O diâmetro do material era de 1.5 nm e o comprimento em torno de 1 µm. Usando diferentes processos de fabricação, cordas de SWCNT foram feitas.
Os tipos de cordas geradas foram:
- corda em Y: formado pelo método Yarn
- corda r: formado pelo método de rolagem
- corda d: formado pelo método de dispersão
Para atingir o objetivo do estudo, os pesquisadores precisam primeiro identificar uma técnica de medição confiável . A figura abaixo mostra as diferenças em termos de valores máximos de GED e perfeições gráficas com base no método de fabricação utilizado. Aqui, o método de fio apresenta os maiores valores de GED, com uma média de 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 em um valor médio de torção (ε) = 0.95.
Sem qualquer processamento adicional, os valores de GED de todos os tipos de cordas são baixos, possivelmente devido ao agrupamento de tubos.
Termo : A situação em que vários nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs) se unem em feixes, causando tensão e distorções na estrutura cristalina, é conhecida como agrupamento de tubos. Isso ocorre quando os tubos interagem entre si, levando a defeitos e desordens que resultam em menor densidade de energia de ionização (GED).
Os pesquisadores entenderam a influência da morfologia do feixe no desempenho do armazenamento de energia de SWCNTs por meio de micrografias SEM. Assim, o menor GED foi evidentemente visível em d-rope caracterizado pelo menor tamanho médio do feixe.
Isso foi corroborado pela análise da densidade linear das cordas preparadas . Ela mostra uma diminuição na GED (eficiência de deformação geométrica) à medida que a densidade linear das cordas aumenta. Por outro lado, com o aumento do tamanho do feixe da corda em Y, sua GED aumentou. Fatores que levam à baixa eficiência
- Alta tortuosidade
- Agrupamento de tubos
- Baixa densidade de embalagem
Devido a esses fatores, os nanotubos se tornam ineficientes na transferência de cargas entre si. Isso resulta em rigidez e menor resistência, o que causa um baixo valor de GED.
Em outra pesquisa da UNSW, descobriu-se que os nanofios bacterianos são úteis para o desenvolvimento de eletrônica verde.
Processamento de reforço de corda: para abordar as limitações
Isso inclui um tratamento de polímero para melhorar a transferência de carga entre SWCNTs. As importantes propriedades mecânicas de nanotubos individuais foram preservadas durante o processo. O alongamento de SWCNTs individuais acelera por meio desse método, tornando as cordas melhores para armazenamento de energia. Os pesquisadores usaram polímeros como PSS, PVA, TPU e PSL para melhorar o potencial de armazenamento de energia de materiais de corda Y.
A figura a seguir mostra a modificação da estrutura em Y de nanotubos de carbono de parede simples (SWCNT) pela intercalação de polímeros ou decomposição de enxofre ou carbono.
Estas são as micrografias SEM da corda SWCNT antes do processamento e das modificações de TPU. Elas mostram como a morfologia geral mudou após a modificação. A irradiação de micro-ondas exibe diferenças importantes entre o sítio intersticial e a superfície do fio SWCNT envolto em TPU (antes e depois).
Após a irradiação, o TPU fundido difundiu-se pelos espaços intersticiais . Isso decorou a parte externa do SWCNT e atuou como um potencial conector para os tubos e filamentos adjacentes. Assim, o empacotamento compacto da corda em Y também aumentou. Cordas interconectadas, quando compactadas, apresentam transferência uniforme e retêm as propriedades mecânicas das amostras de corda de SWCNT em nanoescala . Isso resulta em uma maior densidade de energia de transferência de carga (GED).
Espectros Raman: Mudanças Morfológicas em SWCNT
A interpretação do pesquisador sobre as mudanças morfológicas nas cordas SWCNT é apoiada pelos espectros Raman, como mostrado na imagem abaixo. A corda y mostra o maior deslocamento ascendente no modo G. Sua razão G/D é 84.8, que é muito maior do que a corda y depositada com carbono ou enxofre, mas ligeiramente menor do que a corda y normal.
Impacto das modificações de polímeros nas propriedades mecânicas da corda Y
Isso aprimorou as propriedades mecânicas das cordas em Y, o que foi confirmado por suas curvas tensão-deformação. Em particular, as cordas em Y (TPU) apresentam os maiores valores de σB e εb, juntamente com um E maior do que as cordas em Y (geral). Isso aumenta ainda mais o armazenamento de alta energia mecânica.
A deformação de cordas de nanotubos de carbono de parede simples (SWCNT) sob pressão foi monitorada por espectroscopia Raman in situ . Ciclos de torção melhoraram o alinhamento dos SWCNT dentro da corda, otimizando a transferência de carga entre os tubos.
É incrível descobrir que pesquisadores da Universidade de Tohoku estão usando óxidos desordenados de sal-gema para baterias recarregáveis de magnésio.
Nem todos os tratamentos químicos foram igualmente eficazes
Sim, o GED não aumentou igualmente em todos os tratamentos.
- Com o aumento do número de ciclos de deposição de carbono, o GED das cordas y (C) também aumentou.
- Como a tenacidade das cordas mostra forte correlação com o GED, adicionar mais enxofre às cordas Y mostra efeito mínimo no aumento da capacidade de armazenamento de energia.
- Da mesma forma, ao comparar cordas Y modificadas por PSL e PSS, um limite de deformação torcional semelhante com GED máximo menor é mostrado em comparação com aquelas feitas de TPU.
- Essas condições mostram que o carbono e o enxofre depositados melhoraram o acoplamento intertubo. No entanto, eles não foram tão eficazes quanto o TPU em melhorar o GED.
Produção de energia e conversão de corda y torcida
A saída de energia direta foi investigada pela rotação de uma carga (olho-gancho+pá) presa a ela. Este dispositivo era 4 por 104 vezes mais pesado do que as amostras de corda.
Processo de preparação da corda para teste de saída
Primeiro, a corda foi torcida 10, 20 e 30 rotações com um motor a 110 rotações por minuto (RPM). Então, foi permitido destorcer com a carga presa. Particularmente, após 10 rotações, a corda destorceu de volta para cerca de 90% da configuração original destorcida.
Isso demonstra que uma torção residual permanece na corda mesmo após ela ter sido destorcida. Sua presença sugere a ocorrência de alguma dissipação de energia causada pela resistência do ar e pelo atrito interno . O movimento periódico do sistema pode diminuir devido a isso.
Em outra pesquisa, pesquisadores do KIST desenvolvem uma bateria recarregável à base de água, segura e econômica.
Outras observações
- Pesquisadores observaram que os valores de Rr (recuperação) excedem 100% durante a rotação reversa de amostras de corda y de TPU. Isso ficou evidente em cordas que foram torcidas 20 e 30 vezes na direção para frente.
- Além disso, o TPU atuando como um elo nas cordas Y permitiu uma recuperação de energia de deformação de cerca de 90 ± 2% em apenas 1.1 segundos.
- O tempo de destorção foi muito curto, o que significa uma densidade de potência maior de cerca de ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1.
- Houve uma queda na eficiência energética para 65 ± 5% sem TPU.
- Por mais de 20 horas, houve uma queda de até 20% na eficiência de recuperação de energia devido a mudanças estruturais na corda, causadas pela autodescarga.
- A presença de polímeros TPU reduziu eficientemente a perda de energia mencionada acima.
Aplicações potenciais de cordas SWCNT
De acordo com as observações, uma corda de nanotubos de carbono de parede simples (SWCNT) torcida pode armazenar cerca de três vezes mais energia em comparação com baterias de íon-lítio (LIBs). Para aplicações futuras, um sistema pode ser projetado utilizando polias compostas. Ou ainda, costuras feitas com nanotubos de carbono podem ser utilizadas com máquinas de costura. Ambos os métodos permitem o armazenamento de grandes quantidades de energia nanométrica em um formato compacto.
Conclusões
Os CNTs torcidos oferecem melhor armazenamento de energia do que as baterias de lítio, pois funcionam de forma semelhante às molas helicoidais de aço, mas podem armazenar muito mais energia do que elas. Esta tecnologia nanomecânica mostra várias vantagens sobre as tecnologias atuais em termos de alta densidade de energia e retenção confiável de energia. Além disso, eles podem ser carregados e descarregados várias vezes sem qualquer risco de segurança associado a eles.
O que é um grande contraste se comparado a outros sistemas. Além disso, as cordas SWCNT são capazes de fornecer temperaturas estáveis em uma ampla faixa de temperatura e são ideais para uso médico biocompatível. Além disso, essa tecnologia pode alimentar pequenos dispositivos, como órgãos artificiais, por períodos mais longos, sem qualquer necessidade de substituição cirúrgica. No geral, as cordas SWCNT podem resolver vários problemas de forma sustentável.
