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Sistemas y Aplicaciones Nano-Substancia-Eléctrico-Mecánicos de la Energía

Profesor Marca A. Shannon, Director, Centro De Ciencia Y Tecnología Del National Science Foundation de los E.E.U.U. Para los Materiales Avanzados para la Purificación del Agua con los Sistemas (WaterCAMPWS); Laboratorio Micro-Nano-Mecánico (MNMS) de los Sistemas; Departamento de la Ciencia y de la Ingeniería Mecánicas; Universidad de Illinois en el Urbana-Chamán
Autor Correspondiente: mshannon@illinois.edu

La búsqueda está prendido para las fuentes de energía de la densidad del poder más elevado y de energía en tallas siempre más pequeñas para las aplicaciones que colocan de los sensores de la en-viruta a la pharma-salida insertable a los microrobots que vuelan a aplicaciones más mundanas que mueven por motor PDAs y los ordenadores. Hasta la fecha, las baterías han movido por motor la mayoría de todos los dispositivos pequeños, suministrando microvatios a cientos Vatios según las necesidades. Pero todo el mundo quisiera que sus dispositivos se ejecutaran más de largo y con más características en conjuntos más pequeños, que significa para el mismo tamaño que más necesidad ser salvada (la densidad de energía determina cuánto tiempo él se ejecuta) y el tipo que la energía puede ser entregada (potencia) necesita ser más alto.

En una torcedura cruel de la ironía para las baterías, como los aumentos del drenaje de potencia, las disminuciones de la densidad de energía, así que un equilibrio cuidadoso se hace entre la potencia y la energía con los dispositivos con pilas. La Nanotecnología está aumentando la potencia y la energía que vienen de fuentes de energía, haciendo un mejor uso de fuentes de energía (tales como ión de litio en baterías), y quizás más importantemente, permitiendo que los nuevos combustibles sean utilizados que intrínsecamente tienen densidades de una energía más alta.

El Cuadro 1 muestra densidad de energía por masa y volumen de unidad para diversos combustibles, o fuentes de energía. Observe que la mayoría de los combustibles tienen un orden de magnitud más densidad de energía que la ión de litio, que ahora es el combustible primero de la batería.

Mientras Que la nanotecnología se está utilizando para construir mejores ánodos y cátodos para las baterías de ión de litio, el potencial redox no tiene tanta energía disponible como otros combustibles. El problema es que, mientras que las baterías de la ión de litio (y aire del cinc) pueden entregar real la energía en la pequeña escala, los otros combustibles más de alta densidad todavía necesitan robusto y modos eficaces convertir esa energía a la potencia.

No es dado que estos combustibles pueden entregar potencia en la misma pequeña escala, o que pueden exceder el funcionamiento de baterías de ión de litio. ¿Puede la nanotecnología resolver cambios en rango de potencia, entrega las densidades de energía mayores que una kilo-Vatio-hora/litro, operatorio sobre la amplia gama de las condiciones ambiente (temperatura, presión, y humedad), para poder utilizar realista combustibles del potencial de una energía más alta?

Las pilas de Combustible se han importunado a menudo como fuente de energía de la generación siguiente que puede entregar poder más elevado y densidad de energía (en parte porque no tienen que llevar el oxidante a bordo, usando el oxígeno en aire). Sin Embargo, las pilas de combustible de la microescala son cargadas con problemas. A Diferencia de las baterías que llevan ambos reactivo redox cuyos productos permanecían dentro de la batería, y que no necesitan los dispositivos ancilares (salvo el contenedor y los electrodos), la necesidad de las pilas de combustible los medios de suministrar el combustible, oxígeno, de agotar los productos, y de controlar el nivel de la hidración en el dispositivo.

Las pilas de Combustible también necesitan medios de controlar la salida del combustible y del oxígeno con los cambios en carga eléctrica, que utilizan a menudo sistemas de mando mecánicos y eléctricos elaborados. Por Lo Tanto, es difícil que muchas pilas de combustible manejen cambios enormes en carga. Los mayores problemas para las pilas de combustible de la microescala, por lo tanto, son cómo suministrar el combustible de densidad de alta energía, sin usar los sistemas ancilares grandes que consumen cantidades de potencia importantes, y para que la pila de combustible responda a los cambios grandes en carga eléctrica, en la variación de temperaturas ambiente y de humedades.

A pesar de estos retos, las células del micro-combustible de la membrana (PEM) del intercambio de protón ahora han alcanzado menos de 10 microlitros en volumen total1, tal y como se muestra en del Cuadro 1, incluyendo el combustible, el PEM, y los sistemas ancilares, con la densidad de potencia máxima instantánea de 360 W/l y una densidad de energía sobre 250 W•hr/l, y se dirigen a la densidad de potencia instantánea más arriba de 1000 W/l y a una densidad de energía encima de 500 W•hr/l.

Cuadro 1. Una pila de combustible nanoenabled completa de 10 nanoliter.

Estas pilas de combustible funcionadas con en los hidruros del metal, y tienen un rango dinámico sobre de tres órdenes de magnitud de operación de los microvatios (de estado estacionario) a los milivatios (de estado estacionario), con potencia máxima instantánea de 10 mW. Los hidruros del metal de Nanostructured reaccionarán casi instantáneamente con agua en cualquier formulario al gas de hidrógeno de la producción, que suministra la pila de combustible su densidad de alta energía2,3,4.

Sin Embargo, para lograr este rango dinámico, la energía, y las densidades de potencia, el ensamblaje del electrodo de la membrana, que se comprende de las membranas del nanopore (mostradas en el Cuadro 2), los nanocatalysts y los collecctors actuales, y un sistema de mando mecánico del nanoliter todo tienen que ser diseñadas y ser optimizadas para maximizar almacenamiento de combustible, sin usar potencia parásita5,6.

Cuadro 2. Historieta del PEM en el izquierdo, y una imagen de SEM de los nanopores dentro del silicio en el derecho. Los nanopores functionalized con los grupos del sulfonato para permitir que la hidración con agua con las paredes deprotonated aumente transporte del protón dentro de los poros.

De esta manera, los sistemas nano-substancia-eléctrico-mecánicos pueden ayudar a pavimentar un nuevo camino hacia las fuentes de la alta energía y de la densidad de potencia para una amplia gama de corriente, y la mayoría de las aplicaciones emocionantemente emergentes que no serían posibles sin nuevas fuentes de energía.


Referencias

1. Moghaddam, S., E. Pengwang, K.Y. Lin, R.I. Masel, M.A. Shannon, “Pila de Combustible de la Milímetro-Escala con el Combustible A Bordo y el Sistema de Mando Pasivo,” Gorrón del 17:6 Microelectromecánico de los Sistemas, 1388-1395, 2008.
2. Zhu, L., D. Kim, H. Kim, R.I. Masel, y M.A. Shannon, “Generación del Hidrógeno de los Hidruros en los Reactores de la Escala del Milímetro para las Aplicaciones Micras de la Pila de Combustible de la Membrana del Intercambio de Protón,” Gorrón del 185:2 de las Fuentes de Energía, 1334-1339, 2008.
3. Zhu, el L., K.Y. Lin, R.D. Morgan, V.V. Swaminathan, H.S. Kim, B. Gurau, D. Kim, B. Bae, R.I. Masel, y M.A. Shannon, “Integraron la Fuente de la Microfuerza Basada en una Pila de Combustible del Micro-Silicio, un Generador del Hidrógeno de MEMS,” el Gorrón del 185:2 de las Fuentes de Energía, 1305-1310, 2008.
4. Zhu, L; V. Swaminathan; B. Gurau; R.I. Masel; y M.A. Shannon, “Un Método A Bordo de la Generación del Hidrógeno Basado en los Hidruros y la Recuperación del Agua para las Células del Micro-Combustible,” Gorrón de las Fuentes de Energía 192, 556-561, 2009.
5. Moghaddam, S., E. Pengwang, R.I. Masel, y M.A. Shannon, “Un Generador Autorregulable del Hidrógeno para las Pilas de Combustible Micras,” Gorrón 185:1 de las Fuentes de Energía de 2008) (, 445-450, 2008.
6. Moghaddam, S.; E. Pengwang, Y-B. Jiang, A.R. García, D.J. Burnett, J. Brinker, R.I. Masel, Y M.A. Shannon, “Nanoengineering una Membrana del Intercambio de Protón de la Generación Siguiente para las Pilas de Combustible,” Nanotecnología de la Naturaleza (bajo revista 2009).

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Marca A. Shannon, (Universidad de Illinois en el Urbana-Chamán)

Date Added: Dec 20, 2009 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:42

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