För att nå målet om ett hållbart samhälle behövs högenergilagringsenheter. De ska vara kompakta och lätta med längre livslängd och ska erbjuda god säkerhet. I slutändan borde de överträffa nuvarande batteri- och superkondensatorteknologier. För att möta dessa krav övervägs enkelväggiga kolnanorör (SWCNT). De har visat stor tuffhet i att framstå som en potentiell teknologi för innovativa energilösningar. Forskare upptäckte hur vridna CNT erbjuder bättre energilagring än litiumbatterier.
Studiens syfte : Att visa SWCNT:s förmåga att reversibelt lagra nanomekanisk energi.
Höjdpunkter
- För att tillverka SWCNT-rep inlindade i termoplastiska polyuretanelastomerer.
- SWCNT tvinnat rep har en god förmåga att reversibelt lagra nanomekanisk energi.
- Tvinnade linor uppnår en gravimetrisk densitet på upp till 2.1 MJ kg−1.
- Det tvinnade repet överträffar energilagringskapaciteten hos mekaniska stålfjädrar med mer än 4 storleksordningar.
- Den överträffar Li-ion-batterier med en faktor på 3.
- Det experimenterade vridna SWCNT-repet kan hålla lagrad energi säker i fientliga miljöer.
- Det finns ingen energiutarmning över tid.
- Den är tillgänglig i temperaturer från -60 ° C till + 100 ° C.
Twisted CNT erbjuder bättre energilagring än litiumbatterier
Enkelväggiga kolnanorör upptäcktes 1993. Sedan dess har de kontinuerligt visat unika möjligheter att utveckla högpresterande energiomvandlings- och lagringsenheter. Efter att ha åtgärdat olika tekniska begränsningar har forskare använt dessa nanorör i batterier, solceller och superkondensatorer.
Nuvarande energilagringsmekanismer
De för närvarande använda reversibla mekanismerna inkluderar följande:
- Elektrokemisk potentiell energi i kondensatorer och batterier.
- Gravitationspotential energi i förhöjda vattenreservoarer.
- Mekanisk energi.
Det nuvarande systemet kan lagra stora mängder reversibel energi med en återvinningseffektivitet på cirka ~ 98% i supraledande magneter.
nackdelar
- Detta tillvägagångssätt har en extremt hög kylkostnad.
- Mekanisk energi lagrad statiskt i konventionella mekaniska stålfjädrar har en låg gravimetrisk energitäthet (GED) på ~1.4 × 10−4 MJ kg−1.
- Litiumjonbatterier har ≤0.72 MJ kg−1 GED-värden, vilket är 4 storleksordningar högre än mekaniska fjädrar.
- Den högre energilagringskapaciteten följs av säkerhetsrisker som att fatta eld.
Här är en jämförelse av nuvarande energilagringsenheter . Bland dessa är det bara ett fåtal som är lämpliga för att lagra och leverera energi över ett brett temperaturområde. Även detta i fjärrstyrda miniatyrsensorer eller medicinska implantatenheter.
Enligt en forskningsstudie kostnadseffektiv grön vätgasproduktion med aktiva MXener.
Karakterisering av mekaniskt tuffa SWCNT-rep
Forskare använde kommersiellt tillgängliga material som innehåller SWCNT. Materialets diameter var 1.5 nm och längden runt 1 µm. Genom att använda olika tillverkningsprocesser tillverkades SWCNT-rep.
Typer av rep som genererades var:
- y-rep: bildad med garnmetoden
- r-rep: bildad genom valsmetod
- d-rep: bildad genom dispersionsmetod
För att uppnå studiens mål måste forskarna först identifiera en tillförlitlig mätteknik . Figuren nedan visar skillnaderna i termer av maximala GED-värden och grafiska perfektioner baserat på den använda tillverkningsmetoden. Här visar garnmetoden de högsta GED-värdena med ett genomsnitt på 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 vid ett genomsnittligt twistvärde (ε) = 0.95.
Utan ytterligare bearbetning är GED-värdena för alla typer av rep låga, möjligen på grund av rörbuntning.
Term : En situation där flera SWCNT:er sammanfogas i rep, vilket orsakar töjning och gitterförvrängningar, kallas rörbuntning. Det inträffar när rör interagerar med varandra, vilket leder till defekter och störningar som resulterar i lägre GED.
Forskare förstod påverkan av buntmorfologi på prestandan hos SWCNTs energilagring genom SEM-mikrofotografier. Således var den lägsta GED tydligen synlig i d-rep kännetecknad av den minsta genomsnittliga buntstorleken.
Detta stöddes av analysen av linjär densitet hos de preparerade repen . Den visar en minskning av GED (General Distance Editie) när repens linjära densitet ökar. Å andra sidan, med ökande buntstorlek på y-repet, ökade dess GED. Faktorer som leder till låg effektivitet
- Hög slingrande
- Rörbuntning
- Låg packningstäthet
På grund av dessa faktorer blir nanorör ineffektiva för att överföra belastningar mellan varandra. Detta resulterar i styvhet och lägre hållfasthet, vilket ger ett lågt GED-värde.
I en annan forskning från UNSW upptäcktes att bakteriers nanotrådar är användbara för att utveckla grön elektronik.
Reparmeringsbearbetning: För att åtgärda begränsningarna
Detta inkluderar en polymerbehandling för att förbättra belastningsöverföringen mellan SWCNT. De viktiga mekaniska egenskaperna hos enskilda nanorör bevarades under processen. Sträckningen av enskilda SWCNTs påskyndar genom denna metod, vilket gör repen bättre för energilagring. Forskare använde polymerer som PSS, PVA, TPU och PSL för att förbättra energilagringspotentialen hos y-repmaterial.
Följande figur visar modifieringen av SWCNT y-repet genom interkalering av polymerer eller sönderdelning av svavel eller kol.
Detta är SEM-mikrofotografier av SWCNT-repet före bearbetning och TPU-modifieringar. Det visar hur den övergripande morfologin förändrades vid modifiering. Mikrovågsstrålning visar viktiga skillnader mellan den interstitiella platsen och ytan på den TPU-lindade SWCNT-strängen (före och efter).
Efter bestrålning diffunderade smält TPU genom de interstitiella områdena . Detta dekorerade utsidan av SWCNT och fungerar som en potentiell länkare för intilliggande rör och trådar. Således ökade även den täta packningen av y-repet. Rep som är sammankopplade mellan rören, när de är tätt packade, uppvisar jämn överföring och bibehåller de mekaniska egenskaperna hos nanoskaliga SWCNT-repprover . Detta leder ytterligare till högre GED.
Raman Spectra: Morfologiska förändringar i SWCNT
Forskarens tolkning av de morfologiska förändringarna i SWCNT-rep stöds av Raman-spektra, som visas i bilden nedan. Y-repet visar den högsta växlingen uppåt i G-läget. Dess G/D-förhållande är 84.8, vilket är mycket större än kol- eller svavelavsatt y-rep men något mindre än normalt y-rep.
Polymermodifieringar Inverkan på Y-reps mekaniska egenskaper
Detta förbättrade de mekaniska egenskaperna hos y-linor, vilket deras spännings-töjningskurvor bekräftade. Särskilt y-linor (TPU) har de största värdena på σB och εb tillsammans med det större E än y-linan (generellt). Detta ökar ytterligare den höga mekaniska energilagringen.
Deformationen av SWCNT-rep under tryck övervakades med in situ Ramanspektroskopi . Vridcykling förbättrade SWCNT:ns inriktning i repet. Det optimerade lastöverföringen mellan rören.
Det är fantastiskt att upptäcka att forskare vid Tohoku University använder oordnade bergsaltoxider för att skapa laddningsbara magnesiumbatterier.
Inte alla kemiska behandlingar var lika effektiva
Ja, GED ökade inte lika i alla behandlingar.
- Med ökningen av antalet koldeponeringscykler ökade också GED för y-rep (C).
- Eftersom segheten hos repen visar stark korrelation med GED, visar tillsats av mer svavel till y-rep minimal effekt på att öka energilagringskapaciteten.
- På liknande sätt, när man jämför y-rep modifierade av PSL och PSS, visas en liknande vridtöjningsgräns med lägre max GED i jämförelse med de som är gjorda av TPU.
- Dessa förhållanden visar att avsatt kol och svavel förbättrade kopplingen mellan rören. De var dock inte lika effektiva som TPU för att förbättra GED.
Energiutgång och omvandling av vridet y-rep
Utmatningen av direkt energi undersöktes genom rotationen av en last (ögonkrok+paddel) fäst vid den. Denna enhet var 4 gånger 104 gånger tyngre än repproverna.
Process för att förbereda rep för utmatningstest
Först vreds repet 10, 20 och 30 varv med en motor vid 110 varv per minut (RPM). Sedan fick den vridas upp med lasten påsatt. Speciellt efter 10 varv har repet vridits tillbaka till cirka 90 % av den ursprungliga otvinnade konfigurationen.
Det visar att en kvarvarande vridning kvarstår i repet även efter att det har vridits upp. Dess närvaro tyder på att en viss energiförlust orsakad av luftmotstånd och inre friktion sker. Systemets periodiska rörelse kan avta på grund av detta.
I en annan forskning utvecklar KIST-forskare säkra och ekonomiska vattenbaserade laddningsbara batterier.
Andra observationer
- Forskare observerade att Rr-värden (återhämtning) överstiger 100 % under omvänd rotation av TPU-y-repprover. Detta var uppenbart i rep som vridits 20 och 30 gånger framåt.
- Dessutom, TPU som fungerar som en länk i y-rep, möjliggjorde en töjningsenergiåtervinning på cirka 90 ± 2% på bara 1.1 sekunder.
- Avvridningstiden var mycket kort, vilket innebär en högre effekttäthet på cirka ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1.
- Det var en minskning av energieffektiviteten till 65 ± 5 % utan TPU.
- Under mer än 20 timmar minskade energiåtervinningseffektiviteten med upp till 20 % på grund av strukturella förändringar i repet, orsakade av självurladdning.
- Närvaron av TPU-polymerer reducerade effektivt den ovan nämnda energiförlusten.
Potentiella tillämpningar av SWCNT-rep
Enligt observationerna kan cirka tre gånger mer energi lagras i tvinnat SWCNT-rep jämfört med LIB:er. För ytterligare tillämpningar kan ett system utformas med hjälp av kompositremskivor. Eller så kan sömmar med CNT:er också användas, och symaskiner kan också användas. Båda metoderna kan möjliggöra lagring av stor nanomekanisk energi i en kompakt enhet.
Slutsatser
De vridna CNT:erna erbjuder bättre energilagring än litiumbatterier eftersom de fungerar på samma sätt som spiralfjädrar i stål, men de kan lagra mycket mer energi än dem. Denna nanomekaniska teknologi visar flera fördelar jämfört med nuvarande teknologier när det gäller hög energitäthet och tillförlitlig energiretention. Dessutom kan de laddas och laddas ur flera gånger utan någon risk för säkerhet kopplad till dem.
Vilket är en stor kontrast om man jämför med andra system. Dessutom kan SWCNT-linor leverera jämna temperaturer över ett brett temperaturområde och är idealiska för biokompatibel medicinsk användning. Dessutom kan denna teknik driva små enheter som konstgjorda organ, under längre tidsperioder utan något krav på kirurgisk ersättning. Sammantaget kan SWCNT-rep lösa många problem på ett hållbart sätt.
Källa : Jättestor nanomekanisk energilagringskapacitet i tvinnade enkelväggiga kolnanorörsrep
