Meeskond töötab välja kiire ja odava meetodi elektriautode, suure võimsusega laserite superkontakte elektroodide valmistamiseks

Global Warming or a New Ice Age: Documentary Film (Juuni 2019).

Anonim

Supercapacitors on sobivalt nimetatud tüüpi seade, mis suudab salvestada ja tarnida energiat kiiremini kui tavapärased patareid. Neil on suur nõudlus rakenduste järele, sealhulgas elektriautod, traadita side ja suure võimsusega laserid.

Kuid nende rakenduste mõistmiseks vajavad superkondensaatorid paremaid elektroode, mis ühendavad superkondensaatorit nende energiast sõltuvate seadmetega. Need elektroodid peavad olema nii suuremad kui kiiremad ja odavamad, samuti võimelised kiiremini laadima ja tühjendada oma elektrikoormust. Washingtoni ülikooli inseneride meeskond arvab, et nad on välja töötanud protsessi superkapslite elektroodide tootmiseks, mis vastavad nendele rangetele tööstuslikele ja kasutusnõuetele.

UWi teadurite ja inseneride abiprofessor Peter Pauzauskie juhitud teadlased avaldasid 17. juulil ajakirjas Nature Microsystems ja Nanoengineering avaldatud dokumendi, milles kirjeldas nende superkondensaator elektroodi ja kiiret ja odavat moodust. Nende uudne meetod algab süsinikurikastest materjalidest, mis on kuivatatud madala tihedusega maatriksisse, mida nimetatakse õhueeldeks. See ainulaadne õhugell võib toimida toornafta elektroodina, kuid Pauzauskie meeskond on kahekordistanud oma mahtuvust, mis seisneb selle võimes hoida elektrilist laengut.

Need odavamad algmaterjalid koos lihtsustatud sünteesiprotsessiga vähendavad tööstuslikuks kasutuseks kahte ühist tõket: kulu ja kiirus.

"Tööstuslikes rakendustes on aeg raha, " ütles Pauzauskie. "Nende elektroodide lähtematerjalid on võimalik valmistada pigem tundides, mitte nädalatel. See võib märkimisväärselt vähendada sünteesihinda suure jõudlusega superkapslite elektroodide valmistamisel."

Tõhusad superkondensaatorite elektroodid sünteesitakse süsinikurikastest materjalidest, millel on ka suur pindala. Viimane nõue on kriitiline, sest unikaalsel viisil säilitavad superkondensaatorid elektrienergia laengut. Kuigi tavapärane aku varustab elektrienergiaga kaasasolevaid keemilisi reaktsioone, hoiab supercapacitor selle asemel positiivseid ja negatiivseid maksusid otse selle pinnale.

"Supercapacitors võivad toimida palju kiiremini kui patareid, sest need ei ole piiratud reaktsiooni kiiruse või kõrvalsaaduste, mis võivad moodustada, " ütles kaasautor Matthew Lim, UW doktorant Materjalide ja Engineering. "Supercapacitors suudavad kiirelt laadida ja tühjendada, mistõttu on need suurepärased jõudude impulsside tarnimisel."

"Neil on suurepärased rakendused seades, kus aku on iseenesest liiga aeglane, " ütles kaasõne autor Matthew Crane, UW keemiatehnoloogia osakonna doktorant. "Ajad, kus aku on energia nõudmistele vastamiseks liiga aeglane, võib suure pindalaga elektroodiga superkapsur kiirelt kiirendada ja energiapuudujäägi kompenseerida."

Efektiivse elektroodi kõrge pindala saamiseks kasutas meeskond aerogeeli. Need on niisked, geelilaadsed ained, mis on läbinud kuivatamise ja kuumutamise erikorra, et asendada vedelad komponendid õhuga või muu gaasiga. Need meetodid säilitavad geeli 3-D struktuuri, andes sellele suure pindala ja väga madala tihedusega. See on nagu kogu Jell-O väljavoolu eemaldamine, ilma et see kahaneks.

"Üks gramm õhuke sisaldab nii palju pinda kui üks jalgpalliväljak, " ütles Pauzauskie.

Kraana tegi aerelogeeli geelilaadse polümeeri, korduvstruktuuriüksuste materjalist, mis loodi formaldehüüdist ja teistest süsinikul põhinevatest molekulidest. See tagab, et nende seade, nagu tänapäeva superkapslite elektroodid, koosneks süsinikurikastest materjalidest.

Eelnevalt näitas Lim, et grafeeni lisamine, mis on süsiniku lehed vaid ühe aatomi paksus, imendub saadud õhugelli superskapiitori omadustega. Kuid Lim ja Crane vajab airgeli jõudluse parandamist ning sünteesiprotsessi odavamaks ja lihtsamaks.

Limi eelmistes eksperimentides ei lisanud graphein õhugelli mahtuvust. Selle asemel laaditi aerogeelid õhukeste lehtedega kas molübdeendi disulfiidi või volframi disulfiidi. Mõlemat kemikaali kasutatakse tänapäeval laialdaselt tööstuslikes määrdeainetes.

Uurijad käsitlesid mõlemat materjali kõrgsageduslike helilainetega, et murda need õhukestesse lehtedesse ja ühendada need süsinikurikast geelmaatriksiga. Nad võiksid sünteesida täielikult koormatud märg geeli vähem kui kahe tunni jooksul, samas kui teised meetodid võtaksid palju päevi.

Pärast kuivatatud madala tihedusega ergelli saamist ühendasid nad liimide ja muu süsinikurikka materjaliga tööstusliku taigna loomise, mille Lim võiks lihtsalt lehtedeks lugeda vaid paaris tuhandeni tollise paksusega. Nad lõigasid tainast pooleks tolli plaadid ja koondasid need lihtsate mündikolonni aku korpusega, et testida materjali efektiivsust kui superkondensaator elektroodi.

Elektroodid ei olnud mitte ainult kiire, lihtsad ja hõlpsasti sünteesitavad, vaid ka mahtuvus oli vähemalt 127 protsenti suurem süsinikurikast ainest.

Lim ja Crane eeldavad, et veelgi paremaid tulemusi näitavad aerogeelid, millel on veelgi väiksemad molübdeendisulfiidi või volframdisulfiidi lehed - nende kogus oli umbes 10 kuni 100 aatomit. Kuid kõigepealt tahtsid nad näidata, et laaditud aerogelid oleksid kiiremad ja odavamad sünteesiks, mis oleks vajalik etapp tööstuslikuks tootmiseks. Peenhäälestus on järgmine.

Meeskond usub, et need jõupingutused võivad edendada teadust isegi väljaspool superskaptori elektroode. Nende õhkreel-suspendeeritud molübdeendi disulfiid võib jääda piisavalt stabiilseks, et katalüüsida vesiniku tootmist. Ja nende meetodit materjalide kiireks ladustamiseks aerogellides võiks rakendada suuremahuliste patareide või katalüüsi korral.

menu
menu