Для достижения цели устойчивого общества необходимы высокоэнергетические накопители. Они должны быть компактными и легкими, иметь более длительный срок службы и обеспечивать хорошую безопасность. В конечном итоге они должны превзойти существующие технологии аккумуляторов и суперконденсаторов. Для удовлетворения этих требований рассматриваются однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT). Они показали большую прочность, став потенциальной технологией для инновационных энергетических решений. Исследователи обнаружили, что скрученные УНТ обеспечивают лучшее хранение энергии, чем литиевые батареи.
Цель исследования : продемонстрировать способность одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT) обратимо накапливать наномеханическую энергию.
Основные моменты:
- Для производства канатов из одностенных углеродных нанотрубок, обернутых термопластичными полиуретановыми эластомерами.
- Скрученная веревка SWCNT имеет хорошая способность к обратимому хранению наномеханической энергии.
- Крученые канаты достигают гравиметрической плотности до 2.1 МДж кг−1.
- Скрученный канат превосходит по энергоемкости механические стальные пружины более чем на 4 порядка.
- Превосходит литий-ионные аккумуляторы в 3 раз.
- Экспериментальная скрученная веревка из ОСУНТ может безопасно сохранять запасенную энергию в агрессивных средах.
- Там есть отсутствие истощения энергии с течением времени.
- Он доступен при температурах от -60 ° C до + 100 ° C.
Скрученные УНТ обеспечивают лучшее хранение энергии, чем литиевые батареи
Одностенные углеродные нанотрубки были открыты в 1993 году. С тех пор они постоянно демонстрируют уникальные возможности для разработки высокоэффективных устройств преобразования и хранения энергии. После устранения различных технических ограничений ученые стали использовать эти нанотрубки в батареях, солнечных элементах и суперконденсаторах1.
Современные механизмы хранения энергии
В настоящее время используются следующие обратимые механизмы:
- Электрохимическая потенциальная энергия в конденсаторах и батареях.
- Гравитационная потенциальная энергия в надземных водохранилищах.
- Механическая энергия.
Предложенная система способна накапливать большие объемы обратимой энергии с эффективностью извлечения около 98% в сверхпроводящих магнитах.
Недостатками
- Такой подход влечет за собой чрезвычайно высокие затраты на охлаждение.
- Механическая энергия, статически запасенная в обычных механических стальных пружинах имеют низкую гравиметрическую плотность энергии (GED) ∼1.4 × 10−4 МДж·кг−1.
- Литий-ионные аккумуляторы имеют значения GED ≤0.72 МДж кг−1, что на 4 порядка выше, чем у механических пружин.
- Более высокая способность накапливать энергию влечет за собой и такие риски безопасности, как возможность возгорания.
Здесь представлено сравнение существующих устройств хранения энергии . Среди них лишь немногие подходят для хранения и передачи энергии в широком диапазоне температур. Причем, это касается как миниатюрных датчиков, так и медицинских имплантатов.
Согласно результатам исследования, существует экономически эффективный способ производства экологически чистого водорода с использованием активных MXenes.
Характеристика механически прочных канатов SWCNT
Исследователи использовали коммерчески доступные материалы, содержащие SWCNT. Диаметр материала составлял 1.5 нм, а длина около 1 мкм. Используя различные процессы изготовления, были изготовлены веревки SWCNT.
Были получены следующие типы канатов:
- Y-образный трос: сформировано методом пряжи
- r-канат: сформировано методом прокатки
- d-веревка: сформирован методом дисперсии
Для достижения цели исследования исследователям сначала необходимо определить надежную методику измерения . На рисунке ниже показаны различия в максимальных значениях GED и графической точности в зависимости от используемого метода изготовления. Здесь метод с использованием пряжи показывает самые высокие значения GED со средним значением 0.22 ± 0.05 МДж кг−1 при среднем значении кручения (ε) = 0.95.
Без какой-либо дальнейшей обработки значения GED всех типов канатов низкие, возможно, из-за связывания трубок.
Термин : Ситуация, когда несколько одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT) соединяются в жгуты, вызывая напряжение и искажения кристаллической решетки, известна как связывание трубок в пучки. Это происходит, когда трубки взаимодействуют друг с другом, что приводит к дефектам и нарушениям, вызывающим снижение эффективности преобразования энергии (GED).
Исследователи поняли влияние морфологии пучка на производительность хранения энергии SWCNT с помощью микрографий SEM. Таким образом, самый низкий GED был явно виден в d-rope, характеризующемся наименьшим средним размером пучка.
Это подтверждается анализом линейной плотности изготовленных канатов . Он показывает снижение эффективности преобразования энергии (GED) по мере увеличения линейной плотности канатов. С другой стороны, с увеличением размера пучка Y-образного каната его эффективность преобразования энергии (GED) возрастает. Факторы, приводящие к низкой эффективности.
- Высокая извилистость
- Связывание труб
- Низкая плотность упаковки
Из-за этих факторов нанотрубки становятся неэффективными в передаче нагрузок между собой. Это приводит к жесткости и снижению прочности, что обуславливает низкое значение GED.
В другом исследовании, проведенном Университетом Нового Южного Уэльса, было обнаружено, что бактериальные нанопроволоки способствуют разработке экологически чистой электроники.
Обработка канатной арматуры: устранение ограничений
Это включает полимерную обработку для улучшения передачи нагрузки между SWCNT. Важные механические свойства отдельных нанотрубок были сохранены в ходе процесса. Растяжение отдельных SWCNT ускоряется с помощью этого метода, делая веревки более пригодными для хранения энергии. Исследователи использовали полимеры, такие как PSS, PVA, TPU и PSL, для улучшения потенциала хранения энергии материалов Y-rope.
На следующем рисунке показана модификация Y-образного каната из одностенных углеродных нанотрубок путем интеркаляции полимеров или разложения серы или углерода.
Это микрофотографии SEM веревки SWCNT до обработки и модификаций TPU. Они показывают, как общая морфология изменилась после модификации. Микроволновое облучение показывает важные различия между интерстициальным участком и поверхностью нити SWCNT, обернутой TPU (до и после).
После облучения расплавленный ТПУ диффундировал через межтрубные пространства . Он покрывал внешнюю поверхность одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) и действовал как потенциальный связующий элемент для соседних трубок и нитей. Таким образом, плотная упаковка Y-образного каната также увеличивалась. Канаты, соединенные между собой трубками при плотной упаковке, демонстрируют равномерный перенос и сохраняют механические свойства образцов наноразмерных канатов из ОУНТ . Это дополнительно приводит к более высокой эффективности переноса заряда (GED).
Рамановские спектры: морфологические изменения в SWCNT
Интерпретация исследователя о морфологических изменениях в веревках SWCNT подтверждается спектрами Рамана, как показано на изображении ниже. Y-веревка показывает самый высокий сдвиг вверх в режиме G. Ее отношение G/D составляет 84.8, что намного больше, чем у Y-веревки с отложениями углерода или серы, но немного меньше, чем у обычной Y-веревки.
Влияние модификаций полимеров на механические свойства Y-образного каната
Это улучшило механические свойства Y-образных канатов, что подтвердили их кривые напряжение-деформация. В частности, Y-образные канаты (из ТПУ) имеют наибольшие значения σB и εb, а также больший модуль упругости E, чем Y-образные канаты (в целом). Это дополнительно увеличивает способность к накоплению высокой механической энергии.
Деформация канатов из одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT) под давлением отслеживалась с помощью спектроскопии Рамана in situ . Циклическое скручивание способствовало выравниванию SWCNT внутри каната, оптимизируя передачу нагрузки между трубками.
Удивительно, что исследователи из Университета Тохоку используют неупорядоченные оксиды каменной соли для перезаряжаемых магниевых батарей.
Не все химические обработки были одинаково эффективны
Да, GED не увеличивался одинаково при всех вариантах лечения.
- С увеличением количества циклов осаждения углерода GED Y-образных канатов (C) также увеличивался.
- Поскольку прочность канатов тесно связана с GED, добавление большего количества серы в Y-образные канаты оказывает минимальное влияние на увеличение емкости хранения энергии.
- Аналогично, при сравнении Y-образных канатов, модифицированных PSL и PSS, показан аналогичный предел деформации кручения с более низким максимальным GED по сравнению с канатами, изготовленными из TPU.
- Эти условия показывают, что осажденный углерод и сера улучшают межтрубное сцепление. Однако они не столь эффективны, как TPU, в улучшении GED.
Выход энергии и преобразование витого Y-образного каната
Выход прямой энергии исследовался путем вращения прикрепленного к нему груза (крюк-рым + весло). Это устройство было в 4·104 раза тяжелее образцов веревок.
Процесс подготовки каната к выходному испытанию
Сначала веревку скручивали на 10, 20 и 30 оборотов с двигателем на 110 оборотов в минуту (RPM). Затем ей давали раскрутиться с прикрепленным грузом. В частности, после 10 оборотов веревка раскручивалась примерно до 90% от первоначальной нескрученной конфигурации.
Это показывает, что остаточное скручивание сохраняется в канате даже после его раскручивания. Его наличие указывает на рассеивание энергии, вызванное сопротивлением воздуха и внутренним трением . Периодическое движение системы может затухать из-за этого.
В другом исследовании ученые KIST разработали безопасную и экономичную перезаряжаемую батарею на водной основе.
Другие наблюдения
- Исследователи наблюдали, что значения Rr (восстановление) превышают 100% при обратном вращении образцов Y-образного каната TPU. Это было очевидно в канатах, которые были скручены 20 и 30 раз в прямом направлении.
- Более того, ТПУ, выступающий в качестве связующего звена в Y-образных тросах, позволил восстановить энергию деформации примерно на 90 ± 2% всего за 1.1 секунды.
- Время раскручивания было очень коротким, что означает более высокую плотность мощности около ≤1.85 ± 0.43 МВт кг-1.
- Без ТПУ энергоэффективность снизилась до 65 ± 5%.
- В течение более 20 часов наблюдалось снижение эффективности рекуперации энергии до 20% из-за структурных изменений в тросе, вызванных саморазрядом.
- Присутствие полимеров ТПУ эффективно снизило вышеупомянутые потери энергии.
Потенциальные области применения канатов SWCNT
Согласно наблюдениям, в скрученном канате из одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT) можно запасать примерно в 3 раза больше энергии по сравнению с литий-ионными аккумуляторами (LIB). Для дальнейших применений можно разработать систему с использованием композитных шкивов. Также можно использовать швы из углеродных нанотрубок и швейные машины. Оба метода позволяют хранить большие объемы наномеханической энергии в компактном устройстве.
Выводы
Скрученные УНТ обеспечивают лучшее хранение энергии, чем литиевые батареи, поскольку они работают аналогично стальным спиральным пружинам, но они могут хранить гораздо больше энергии, чем те. Эта наномеханическая технология показывает несколько преимуществ по сравнению с существующими технологиями с точки зрения высокой плотности энергии и надежного удержания энергии. Кроме того, их можно заряжать и разряжать много раз без какого-либо риска для безопасности, связанной с ними.
Что является большим контрастом по сравнению с другими системами. Кроме того, канаты SWCNT способны обеспечивать постоянную температуру в широком диапазоне температур и идеально подходят для биосовместимого медицинского использования. Более того, эта технология может питать небольшие устройства, такие как искусственные органы, в течение более длительного времени без необходимости хирургической замены. В целом, канаты SWCNT могут решать многочисленные проблемы устойчивым образом.
