There is 1 related live offer.

5% Off SEM, TEM, FIB or Dual Beam

De nano-chemisch-elektro-mechanische Systemen en Toepassingen van de Energie

Professor Mark A. Shannon, Directeur, Centrum van de Wetenschap en van de Technologie van de Stichting van de Wetenschap van de V.S. het Nationale voor Geavanceerde Materialen voor de Reiniging van Water met Systemen (WaterCAMPWS); Het micro-nano-mechanische Laboratorium (MNMS) van Systemen; Ministerie van Mechanische Wetenschap en Techniek; Universiteit van Illinois bij Urbana-Open vlakte
Overeenkomstige auteur: mshannon@illinois.edu

De zoektocht is voor hoge macht en van de energiedichtheid krachtbronnen bij steeds kleinere grootte voor toepassingen die zich van op-spaandersensoren aan inlasbare pharma-levering aan het vliegen microrobots aan mondainere toepassingen uitstrekken die PDAs en computers aandrijven. Tot op heden, hebben de batterijen meest alle kleine apparaten aangedreven, die micro-watts leveren aan honderd Watts zoals nodig. Maar iedereen wil hun apparaten langer en met meer eigenschappen in kleinere pakketten lopen, welke middelen voor de zelfde grootte die meer op te slaan energiebehoeften (de energiedichtheid bepaalt hoe lang zij) lopen en het tarief dat de energie kan worden geleverd (macht) om hoger vergt te zijn.

In een wrede draai van ironie voor batterijen, als macht trek verhogingen, de dalingen van de energiedichtheid, zodat wordt een zorgvuldige inruil gemaakt tussen macht en energie met apparaten op batterijen. De Nanotechnologie verhoogt zowel de macht als energie die uit krachtbronnen komen, door beter gebruik van energiebronnen (zoals lithiumion in batterijen), en misschien wat nog belangrijker is te maken, door nieuwe brandstoffen toe te laten om worden gebruikt die inherent hogere energiedichtheid hebben.

Lijst 1 toont energiedichtheid per eenheidsmassa en volume voor verschillende brandstoffen, of energiebronnen. Merk op dat de meeste brandstoffen een grootteorde meer energiedichtheid dan lithiumion hebben, dat nu de eerste batterijbrandstof is.

Terwijl de nanotechnologie wordt gebruikt om betere anoden en kathoden voor lithium ionenbatterijen te construeren, heeft het redoxpotentieel zo veel beschikbare energie niet zoals andere brandstoffen. Het probleem is dat, terwijl de lithium ionen (en zinklucht) batterijen de energie bij kleinschalig kunnen eigenlijk leveren, de andere hogere dichtheidsbrandstoffen nog robuuste en efficiënte manieren vergen om die energie in macht om te zetten.

Het is geen gezien deze brandstoffen macht bij zeer kleinschalig kunnen leveren, of dat zij de prestaties van lithium ionenbatterijen kunnen overschrijden. Kan levert de nanotechnologie veranderingen in machtswaaier, energiedichtheid ontmoeten groter dan een kilo-watt-u/een liter, over brede waaier van omringende voorwaarden werkt (temperatuur, druk, en vochtigheid), zodat de hogere energie potentiële brandstoffen realistisch kunnen worden gebruikt?

De cellen van de Brandstof zijn vaak geworven als een volgende generatiekrachtbron die zowel hoge macht als energiedichtheid (voor een deel omdat zij niet oxidizer moeten dragen aan boord, gebruikend de zuurstof in lucht) kan leveren. Nochtans, zijn de cellen van de micro-schaalbrandstof beladen met problemen. In Tegenstelling Tot batterijen die beide redoxreactanten dragen de waarvan producten binnen de batterij bleven, en wat assistent geen apparaten (behalve de container en de elektroden) vergen, hebben de brandstofcellen een middel nodig om de brandstof, zuurstof te leveren, de producten uit te putten, en het hydratieniveau door het apparaat te controleren.

De cellen van de Brandstof hebben ook een middel nodig om de brandstof en zuurstoflevering met veranderingen in elektrolading te controleren, die vaak gedetailleerde mechanische en elektrocontrolesystemen gebruiken. Daarom is het moeilijk voor vele brandstofcellen om reusachtige veranderingen in lading te behandelen. De belangrijkste problemen voor de cellen van de micro-schaalbrandstof, daarom, moeten hoe te brandstof van hoge energiedichtheid voorzien, zonder grote assistentsystemen te gebruiken die significante bedragen van macht, en voor de brandstofcel om aan grote veranderingen in elektrolading, in variërende omgevingstemperatuur en vochtigheid verbruiken te antwoorden.

Ondanks deze uitdagingen, het membraan hebben de micro-brandstof van de proton (PEM)uitwisseling cellen nu minder dan 10 microliters in totaal volume,1 zoals aangetoond in Figuur 1, met inbegrip van de brandstof, PEM, en de assistentsystemen, met onmiddellijke piekmachtsdichtheid van 360 W/l en een energiedichtheid meer dan 250 W bereikt•hr/l, en worden geleid aan onmiddellijke machtsdichtheid hoger dan 1000 W/l en een energiedichtheid boven 500 W•hr/l.

Figuur 1. Volledig nanoenabled de cel van de 10 nanoliterbrandstof.

Deze brandstofcellen lopen op metaalhydriden, en hebben een dynamische waaier van meer dan drie grootteordes van verrichting van micro-watts (evenwichtstoestand) aan milliwatt (evenwichtstoestand), met 10 mw onmiddellijke piekmacht. De het metaalhydriden zullen van Nanostructured bijna ogenblikkelijk met water in om het even welke vorm aan het gas van de opbrengswaterstof reageren, dat de brandstofcel van zijn hoge energiedichtheid voorziet2,3,4.

Nochtans, om dit dynamische die gamma, energie, en machtsdichtheid, de assemblage van de membraanelektrode, die van nanoporemembranen (in Figuur 2 worden getoond) worden samengesteld, nanocatalysts en huidige collecctors, en een systeem van de nanoliter mechanisch controle allen te bereiken moet worden ontworpen en worden geoptimaliseerd om brandstofopslag te maximaliseren, zonder parasitische macht te gebruiken5,6.

Figuur 2. Beeldverhaal van PEM op de linkerkant, en een beeld van SEM van nanopores binnen het silicium op de rechterkant. Nanopores zijn functionalized met sulfonaatgroepen om toe te staan de hydratie met water met muren deprotonated om protonvervoer binnen de poriën te verbeteren.

Op deze wijze, kunnen de nano-chemisch-elektro-mechanische systemen helpen een nieuwe weg naar hoge energie en machtsdichtheidsbronnen voor een brede waaier van stroom, en de meeste excitingly nieuwe toepassingen bedekken die niet zonder nieuwe krachtbronnen mogelijk zouden zijn.


Verwijzingen

1. Moghaddam, S., E. Pengwang, K.Y. Lin, R.I. Masel, M.A. Shannon, „millimeter-Schaal de Cel van de Brandstof met Brandstof Aan Boord en het Passieve Systeem van de Controle,“ Dagboek van Microelectromechanical 17:6 van Systemen, 1388-1395, 2008.
2. Zhu, L., D. Kim, H. Kim, R.I. Masel, en M.A. Shannon, de „Generatie van de Waterstof van Hydriden in de Reactoren van de Schaal van de Millimeter voor de Toepassingen van de Cel van de Brandstof van het Membraan van de Micro- Uitwisseling van Proton,“ Dagboek van Het 185:2 van Krachtbronnen, 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, en M.A. Shannon, „Integreerden Micro-Power Bron op een micro-Silicium Cel van de Brandstof, een Generator van de Waterstof wordt Gebaseerd MEMS,“ Dagboek van Het 185:2 van Krachtbronnen, 1305-1310, 2008 die.
4. Zhu, L; V. Swaminathan; B. Gurau; R.I. Masel; en M.A. Shannon, een „Methode Aan Boord die van de Generatie van de Waterstof op Hydriden en de Terugwinning van het Water voor micro-Brandstof Cellen wordt Gebaseerd,“ Dagboek van Krachtbronnen 192, 556-561, 2009.
5. Moghaddam, S., E. Pengwang, R.I. Masel, en M.A. Shannon, een „Zelfregelende Generator van de Waterstof voor de Micro- Cellen van de Brandstof,“ Dagboek van het 185:1 Van Krachtbronnen (2008), 445-450, 2008.
6. Moghaddam, S.; E. Pengwang, y-B. Jiang, A.R. Garcia, D.J. Burnett, J. Brinker, R.I. Masel, En M.A. Shannon, „Nanoengineering een Membraan van de Uitwisseling van Proton van de Volgende Generatie voor de Cellen van de Brandstof,“ de Nanotechnologie van de Aard (onder overzicht 2009).

Copyright AZoNano.com, Professor Mark A. Shannon, (Universiteit van Illinois bij Urbana-Open vlakte)

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

Last Update: 13. June 2013 23:06

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit