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Systèmes et Applications d'Énergétique Nano-Produit chimique-Électrique-Mécaniques

Professeur Note A. Shannon, Directeur, Centre de la Science et Technologie de National Science Foundation des États-Unis pour les Matériaux Avancés pour la Purification de l'Eau avec des Systèmes (WaterCAMPWS) ; Laboratoire Micro-Nano-Mécanique (MNMS) de Systèmes ; Service de Scientifique et Technique Mécanique ; Université de l'Illinois au l'Urbana-Champagne
Auteur Correspondant : mshannon@illinois.edu

La recherche est allumée pour des sources d'énergie de densité de haute énergie et d'énergie à des tailles toujours plus petites pour des applications s'échelonnant des senseurs de sur-puce au Pharma-accouchement insérable aux microrobots volants à des applications plus mondaines actionnant des PDA et des ordinateurs. Jusqu'à présent, les batteries ont actionné la plupart des tous les dispositifs de petite taille, fournissant des microwatts à cents Watts comme nécessaires. Mais chacun veut que leurs dispositifs fonctionnent plus longtemps et avec plus de configurations en plus petits modules, qui signifie pour la même taille que plus besoin pour être enregistré (la densité d'énergie détermine combien de temps elles fonctionnent) et les tarifs que l'énergie peut être fournie (alimentation électrique) doivent être plus élevés.

Dans une torsion cruelle de l'ironie pour des batteries, comme les augmentations d'attraction d'alimentation électrique, les diminutions de densité d'énergie, ainsi un compromis attentif est effectuées entre l'alimentation électrique et l'énergie avec les dispositifs à piles. La Nanotechnologie augmente l'alimentation électrique et l'énergie venant des sources d'énergie, en effectuant une meilleure utilisation des sources d'énergie (telles que l'ion de lithium dans des batteries), et peut-être d'une manière primordiale, en permettant aux essences neuves d'être utilisées qui ont par nature des densités de plus haute énergie.

Le Tableau 1 affiche la densité d'énergie selon la masse et le volume d'ensemble pour différentes essences, ou les sources d'énergie. Notez que la plupart des essences ont un ordre de grandeur de plus densité d'énergie que l'ion de lithium, qui est maintenant l'essence première de batterie.

Tandis Que la nanotechnologie est employée pour construire de meilleures anodes et cathodes pour des batteries d'ion de lithium, le potentiel redox n'a pas autant énergie disponible que d'autres essences. Le problème est que, alors que les batteries d'ion de lithium (et air de zinc) peuvent réellement fournir l'énergie à la petite échelle, les autres essences plus à haute densité ont besoin toujours de robuste et de moyens efficaces pour convertir cette énergie en alimentation électrique.

Il n'est pas un vu que ces essences puissent fournir l'alimentation électrique à la petite échelle même, ou qu'elles peuvent dépasser la performance des batteries d'ion de lithium. Est-ce que nanotechnologie Peut fournit fonctionne contacter des changements de domaine d'alimentation électrique, des densités d'énergie plus grandes qu'une kilo-Watt-heure/litre, sur la large gamme de conditions ambiantes (la température, pression, et humidité), de sorte que des essences potentielles de plus haute énergie puissent être normalement utilisées ?

Des cellules à Combustible ont été souvent démarchées comme source d'énergie de prochain rétablissement qui peut fournir la haute énergie et la densité d'énergie (en partie parce qu'elles ne doivent pas transporter le comburant intégré, utilisant l'oxygène en air). Cependant, les cellules à combustible de micro-échelle sont chargées des problèmes. À La Différence des batteries qui transportent les deux réactifs redox dont les produits sont restés dans la batterie, et qui n'ont pas besoin des appareils auxiliaires (sauf le récipient et les électrodes), du besoin de cellules à combustible des moyens d'accepter l'essence, l'oxygène, d'épuiser les produits, et de régler le niveau d'hydratation dans tout le dispositif.

Les cellules à Combustible ont besoin également de moyens de régler l'accouchement d'essence et d'oxygène avec les changements de la charge électrique, qui utilisent souvent les systèmes de contrôle mécaniques et électriques élaborés. Par Conséquent, il est difficile que beaucoup de cellules à combustible traitent les changements énormes de la charge. Les principaux problèmes pour des cellules à combustible de micro-échelle sont, pour cette raison, comment accepter l'essence avec la densité de haute énergie, sans utiliser les grands systèmes auxiliaires qui absorbent des quantités importantes d'alimentation électrique, et pour que la cellule à combustible réponde à de grands changements de charge électrique, dans des températures ambiantes et des humidités variables.

Malgré ces défis, les cellules de micro-essence de membrane (PEM) d'échange de proton ont maintenant atteint moins de 10 microlitres en volume total1, suivant les indications du Schéma 1, y compris l'essence, le PEM, et les systèmes auxiliaires, avec la densité instantanée de puissance de crête de 360 W/l et une densité d'énergie plus de 250 W•hr/l, et sont dirigés à la densité d'alimentation électrique instantanée plus haut que 1000 W/l et à une densité d'énergie au-dessus de 500 W•hr/l.

Le Schéma 1. Une cellule à combustible nanoenabled complète de 10 nanoliter.

Ces cellules à combustible fonctionnées aux hydrures en métal, et ont une dynamique de plus de trois ordres de grandeur du fonctionnement des microwatts (équilibrés) aux milliwatts (équilibrés), avec la puissance de crête instantanée de 10 mW. Les hydrures en métal de Nanostructured réagiront presque instantanément avec de l'eau sous n'importe quelle forme au gaz d'hydrogène de produit, qui fournit la cellule à combustible sa densité de haute énergie2,3,4.

Cependant, pour réaliser cette dynamique, de l'énergie, et des densités d'alimentation électrique, l'assemblage d'électrode de membrane, qui est composé des membranes de nanopore (représentées sur le Schéma 2), des nanocatalysts et des collecctors actuels, et un système de contrôle mécanique tous de nanoliter doivent être conçues et optimisées pour maximiser le stockage du combustible, sans utiliser l'alimentation électrique parasite5,6.

Le Schéma 2. Bande Dessinée du PEM du côté gauche, et une image de SEM des nanopores dans le silicium du côté droit. Les nanopores functionalized avec des groupes de sulfonate pour permettre à l'hydratation avec de l'eau avec les parois deprotonated d'augmenter le transport de proton dans les pores.

De cette façon, les systèmes nano-produit chimique-électrique-mécaniques peuvent aider à paver un chemin neuf vers des sources de haute énergie et de densité d'alimentation électrique pour un large éventail de courant, et la plupart des applications apparaissantes de façon excitée qui ne seraient pas possibles sans sources d'énergie neuves.


Références

1. Moghaddam, S., E. Pengwang, K.Y. Lin, R.I. Masel, M.A. Shannon, « Cellule à Combustible de Mm-Échelle avec l'Essence Intégrée et le Système de Contrôle Passif, » Tourillon de 17:6 Microelectromechanical de Systèmes, 1388-1395, 2008.
2. Zhu, L., D. Kim, H. Kim, R.I. Masel, et M.A. Shannon, « Rétablissement d'Hydrogène des Hydrures dans des Réacteurs d'Échelle de Mm pour des Applications Micro de Cellule à Combustible de Membrane d'Échange de Proton, » Tourillon de 185:2 de Sources d'Énergie, 1334-1339, 2008.
3. Zhu, L., K.Y. Lin, R.D. Morgan, V.V. Swaminathan, H.S. Kim, B. Gurau, D. Kim, B. Bae, R.I. Masel, et M.A. Shannon, « ont Intégré la Source de Micropuissance Basée sur une Cellule à Combustible de Micro-Silicium, un Générateur d'Hydrogène de MEMS, » le Tourillon du 185:2 de Sources d'Énergie, 1305-1310, 2008.
4. Zhu, L ; V. Swaminathan ; B. Gurau ; R.I. Masel ; et M.A. Shannon, « Une Méthode À Bord de Rétablissement d'Hydrogène Basée sur des Hydrures et la Reprise de l'Eau pour des Cellules de Micro-Essence, » Tourillon des Sources d'Énergie 192, 556-561, 2009.
5. Moghaddam, S., E. Pengwang, R.I. Masel, et M.A. Shannon, « Un Générateur Autorégulateur d'Hydrogène pour les Cellules à Combustible Micro, » Tourillon 185:1 de Sources d'Énergie de 2008) (, 445-450, 2008.
6. Moghaddam, S. ; E. Pengwang, Y-B. Jiang, A.R. Garcia, D.J. Burnett, J. Brinker, R.I. Masel, Et M.A. Shannon, « Nanoengineering une Membrane d'Échange de Proton de Prochain Rétablissement pour des Cellules à Combustible, » Nanotechnologie de Nature (à l'étude 2009).

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Note A. Shannon, (Université de l'Illinois au l'Urbana-Champagne)

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

Last Update: 13. June 2013 23:10

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