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Neues Ultracapacitor von MIT-Merkmalen Erhöhte Leistung und Speicherung

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

Im Laufring, zum der perfekten Energiespeicherlösung zu entwickeln, sind ultracapacitors ein aufregendes Pferd, zum ein zu wetten. Sie entbinden Energie schnell, können in Sekunden neugeladen werden und haben eine lange Lebensdauer - aber ihre Kapazität für das Speichern von Energie ist begrenzt.

Ein MIT-Neuunternehmen hat jetzt eine neue Version vorgestellt, die so viel Energie zweimal speichern und ungefähr 10mal entbinden kann, wie viel Leistung als herkömmliche Einheit kann. Ausgerüstet mit Kohlenstoff-nanotube-überzogenen Elektroden, verwendet das neue ultracapacitor die preiswerten, inländisch reichlichen Materialien und ein Herstellungsverfahren, das denen ähnlich ist, die am großen Umfang durch die Solarindustrie verwendet werden. Unter den ersten wahrscheinlichen Technologien aktiviert durch das neue ultracapacitor: ein neues hybrides Elektro-Mobil, das Kraftstoffeffizienz mit Hochleistung und drastisch preiswerter kombiniert.

In der wachsenden Bemühung, Autos auf Strom auszuführen und Leistung von den Solar- und Windbetriebsmitteln zu erzeugen, ist ein bedeutendes Hindernis Energiespeicher. Eine viel versprechende Energiespeicherungstechnologie ist das ultracapacitor, eine Einheit, die beträchtliche Vorteile über dem Besten von heutigen Batterien anbietet. Zum Beispiel können ultracapacitors hohes macht- zur Verfügung stellen d.h., sie können Energie schnell entbinden; sie können in Sekunden eher als Stunden neugeladen werden; sie können kalten Temperaturen, Schocks und Schwingungen widerstehen; und sie können aufgeladen werden und entladene Hunderte von den Tausenden Zeiten, bevor sie heraus tragen. Sie enthalten auch die Erde-reichlichen und ungiftigen Materialien, also sind sie auf der Umgebung viel einfacher, als heutige Batterien sind.

Ultracapacitors haben jedoch einen ernsten Nachteil: ihre niedrige Energiespeicherungskapazität. An einer gleichwertigen Größe kann ein ultracapacitor nur ungefähr 5 Prozent speichern so viel Energie wie eine Lithium-Ionen-Batterie-Dose. Heute werden Millionen ultracapacitors in den batteriebetriebenen Konsumgütern verwendet und stellen Backup-Leistungs- oder Memorandumimpulse von Energie in den Mikrocomputern, in den Mobiltelefonen und in den Kameras zur Verfügung. Aber ein ultracapacitor, das zum Hochenergiespeicher fähig ist, konnte die Energieszene umwandeln und mögliche leistungsstarke, Energiesparende Kreuzung und die Elektro-Mobile herstellen und die Solar- und Wind-betriebenen Gitter und mehr glatt laufen lassen.

Eine Frage des Speicherns von Ionen

Die Taste zum Energiespeicher - ob in einer Batterie oder in einem ultracapacitor - ist die Fähigkeit zu übertragen und die geladenen Teilchen zu speichern, die Ionen genannt werden, sagt Joel Schindall, der Bernard Gordon Professor der Praxis in Abteilung MITS der Elektrotechnik und der Informatik. Beide Einheiten haben an ihrem Kern einen Elektrolyt, eine Mischung von positiven und negativen Ionen. In einer Batterie verschieben chemische Reaktionen Ionen vom Elektrolyt und aus in die Atomzelle des Elektrodenmaterials heraus, während die Batterie aufgeladen und sich entlädt wird. Demgegenüber in einem ultracapacitor, veranlaßt ein elektrischer Bereich die Ionen, sich nach und von den Oberflächen der Elektroden zu bewegen. Weil die Ionen gerade ein anhaften und dann gehen lassen - ohne die chemische Reaktion betroffen - ein ultracapacitor können schnell aufladen und sich entladen, immer wieder. Aber, während die Körperverletzung Ionen während seiner Elektroden speichert - wo es viele Platz gibt, damit sie sich befinden, bis die Körperverletzung sich entlädt - das ultracapacitor speichert sie nur auf seinen Oberflächen.

In der Theorie dann ist die Lösung zum ultracapacitor Energiespeicher einfach: stellen Sie mehr Fläche der Elektrode zur Verfügung, damit Ionen auf anhaften. In den heutigen Handels-ultracapacitors werden Elektrodenoberflächen mit Aktivkohle, ein Material beschichtet, das von den Poren voll ist und stellen Fläche für anhaftende Ionen bereit. Aber Energiespeicher ist noch niedrig.

Im Jahre 2004 schlug Schindall eine andere Lösung vor: beschichten Sie die Elektroden stattdessen mit vertikal ausgerichteten Kohlenstoff nanotubes. Eine fest gepackte Reihe hohe, dünne nanotubes auf der Elektrode konnte viele Fläche für die anhaftenden Ionen zur Verfügung stellen. Auch während die Poren in der Aktivkohle an Größe unregelmäßig sind und formen, würde ein nanotube „Wald“ gerade Bahnen liefern, also konnten die Ionen herein und herauskommen leicht und - wie Lack mit einem Malerpinsel eher als ein Schwamm aufsaugen zusammen ordentlich packen, sagt Schindall. Er fing an, das Konzept mit Mitarbeitern John G. Kassakian, Professor der Elektrotechnik und Riccardo Signorelli, dann ein Student im Aufbaustudium in der Elektrotechnik und in der Informatik und nachfolgend ein Habilitationsmitarbeiter zu erforschen im Labor für Elektromagnetisches und Electronic Systems (jetzt Teil Forschungslabors MITS von Elektronik).

Das Konzept und die ersten Schritte

Dieses Diagramm zeigt das nanotube-erhöhte ultracapacitor der Forscher „.“ An der Oberseite und an der Unterseite sind die zwei Elektrodenplatten mit Kohlenstoff nanotubes, die vertikal befestigt werden. Ein flüssiger Elektrolyt füllt den Platz zwischen ihnen, und ein poröser Abscheider hinunter die Mitte hält die Platten von elektrisch zusammen kurzschließen. In diesem Diagramm hat eine Spannung über den zwei Platten einen Überfluss der negativer Ladung (Elektronen) auf der Kopfplatte und einen Überfluss der positiver Ladung (das Fehlen der Elektronen) auf dem unteren verursacht. Infolgedessen werden die nanotubes durch Ionen der gegenüberliegenden Ladung beschichtet. Wenn die zwei Platten durch einen externen Regelkreis des Kabels angeschlossen werden, fließen Elektronen diese externe Schaltung vom Negativ zur positiven Elektrode durch und währenddessen schalten eine Strom-verbrauchende Einheit an. Im Laufe der Zeit verlieren beide Platten ihre Ladung, und die positiven und negativen Ionen brechen weg und mischen zurück in den Elektrolyt.

Mit Finanzierung vom Ford-MIT Alliance, führte das MIT-Team ausführliche Simulationsstudien durch, die den möglichen Nutzen des vorgeschlagenen Konzeptes bestätigten. Die Simulationen zeigten, dass das nanotube-erhöhte ultracapacitor in der Lage sein sollte, mehr Ionen, als zu speichern herkömmliche Aktivkohle eine kann, dadurch sie erzielt sie Speicher der höheren Energie.

Angeregt durch jene Ergebnisse, gingen Schindall und Signorelli zur folgenden Herausforderung über: die Herstellung nanotube-erhöhte Elektroden. Innerhalb eines Jahres hatten sie gelernt, Kohlenstoff nanotubes auf Silikon zu wachsen - aber Silikon ist kein guter Leiter. Wachsende nanotubes auf einer Leitfläche gewesen schwieriger. Nach der Prüfung vieler Materialien, Auslegungen und Methoden, fanden sie eine Kombination, die arbeitete. Sie verwendeten eine Schicht Wolfram, dann eine Dünnschicht vom Aluminium - der Leiter - und schließlich eine Oberschicht vom Eisenoxid, der Katalysator für den Prozess. unter Verwendung des besonders konstruierten Ofens heizten sie oben ihre Probe, und das Eisenoxid trennte sich in Tröpfchen. Sie brannten dann verdünntes Acetylengas über der Oberfläche durch. Die Tröpfchen des Eisenoxids ergriffen Kohlenstoff aus dem Gas heraus, und Kohlenstoff nanotubes fingen an, aus den Tröpfchen heraus aufwärts zu wachsen. „Jedes Tröpfchen gedient als Follikel - fast wie ein Balg - für das nanotube Wachstum,“ sagt Schindall. Experimente zeigten, dass das Beginnen mit einem sehr Dünnschicht des Eisenoxids zu die Entstehung von kleinen Tröpfchen und das Wachstum von nanotubes führte, die hoch dünn waren, und nah - eine Konfiguration packten, die Nutzflächebereich auf der Elektrode maximiert.

Die entscheidende Prüfung: Herstellung einer Einheit

Der nächste Schritt war, ihre nanotube-erhöhten Elektroden in eine Einheit zu integrieren und seine Funktion zu prüfen. „Wir hatten nanotubes ungefähr der rechten Abmessungen auf einer Leitsubstratfläche gewachsen, aber wir konnten nicht, sie elektrisch arbeiten würden,“ sagen Schindall. Er hatte eine Liste von möglichen „Showstoppers“ die auftreten konnten, als sie versuchten, eine Einheit zusammenzubauen. Zum Beispiel konnten sie den Elektrolyt erhalten, um unten zwischen die nanotubes zu gehen und ihre Oberflächen zu beschichten? Kohlenstoff nanotubes bekannt, um in hohem Grade Wasser abweisend zu sein. Darüber hinaus in dieser Anwendung, halten anliegende nanotubes die gleiche Ladung an, und ihre Spitzen sind zusammen nah. Würden Ionen in der Lage sein, durch den elektrischen Bereich zu passieren, der durch jene belasteten Spitzen erstellt wurde? Und würden die nanotubes in der Lage sein, Ladung von der Basis aufzuheben? Schließlich werden sie auf Eisenoxid, das ein Isolator ist, kein Leiter gewachsen. Beantworten Sie irgendwelche jener Fragen „nein,“ und das nanotube-erhöhte ultracapacitor war nicht für Erfolg bestimmt.

Mit Finanzierung von einer MIT-Energie-Initiativenstartwert- für zufallsgeneratorbewilligung, waren die Forscher, eine Prototypprüfungszelle zu fabrizieren, die jene Interessen milderte. Sie begannen mit ihren nanotube-überzogenen Elektroden in einem Vakuum und lassen Sie dann Luft den Elektrolyt unten hinter das nanotube drücken spitzt, um den Platz zu füllen. Die Ionen waren in der Lage, auf alle nanotube Oberflächen zuzugreifen und zu beschichten, und die nanotubes wurden elektrisch angeschlossen. Weitere Studien zeigten, dass die Basis jedes nanotube über dem Eisenoxidtröpfchen hinaus sich ausdehnte, von dem sie gewachsen war. Schließlich umgab sein „Fuß“ und gab das Tröpfchen um; infolgedessen wurde er direkt an die Aluminiumsubstratfläche unten angeschlossen. Der Prototyp prüfte folglich die praktische Entwicklungsfähigkeit des nanotube-erhöhten ultracapacitor.

Erhalten er, um zu vermarkten

Die MIT-Arbeit zeigte, dass das neue ultracapacitor Energie speichern könnte, aber die Vorführungseinheiten waren jede die Größe eines Daumennagels und konnten nur kleine Mengen Energie aufladen und entladen. Dennoch glaubte Signorelli, dass sie Potenzial hatten. „Die Umwandlung dieses Machbarkeitsnachweises in eine komplette, leistungsstarke, marktfähige Einheit würde viel mehr Entwicklungsarbeit benötigen - aber wir waren wir könnten sie geschehen lassen überzeugt,“ sagt er.

Während der letzten vier Jahre haben Signorelli und seine Kollegen gerade das getan. Im Jahre 2008 gründeten Signorelli-Doktor '09 und Doktor '11 Johns Cooley FastCAP-Anlagen, eine Firma, die den nanotube-erhöhten Kondensator zusammen mit Anlagen in den Handel bringend, um seine praktische Implementierung zu aktivieren angestrebt wurde. In Fall 2009, gewann FastCAP einen Preis $5,3 Million in der ersten Runde der US-Energieministerium (DOE) Fortgeschrittenen Forschungsprojekte Agentur-Energie (ARPA-E) Bewilligungen - eins von gerade 37 erfolgreichen Angeboten aus 3.600 Anfangsunterordnungen heraus. Finanzierung von anderen Quellen folgte, und in Fall 2011, empfing die Firma eine zweite DAMHIRSCHKUH-Bewilligung für das Ausfahren des ultracapacitor im Energiemarkt. FastCAP wird jetzt in einem 17.000 Quadratfuß R&D und Versuchsin einer produktionsanlage im Seehafen-Bezirk von Boston untergebracht. Es hat 25 Angestellte und vor kurzem verkauft und versendet seiner ersten Generation von Produkten.

Das späteste FastCAP-ultracapacitor speichert zweimal so viel Energie, wie seine Konkurrenten einmachen und entbindet 7 bis 15mal mehr Leistung. Es kostet auch kleiner. Es verwendet Rohstoffe, die billig und innerhalb der Vereinigten Staaten reichlich sind. (Das Elektrodenmaterial zum Beispiel kostet über ein-fünfzigstes soviel wie, das in den herkömmlichen Kondensatoren. verwendete) Das Herstellungsverfahren basiert auf den Methoden, die für Massenproduktion von photo-voltaischen Solarbauteilen angewendet werden. Infolgedessen ist es preiswert und ersteigbar - und als Prämie, sind das notwendige Gerät und die Sachkenntnis hoch entwickelt und leicht verfügbar.

Während das neue ultracapacitor mögliche Anwendungen auf vielen Gebieten hat, ist die unmittelbare Aufmerksamkeit auf Transport. Signorelli zitiert beträchtliche Gelegenheiten für das Verbessern von Fahrzeugtechnologie. Zum Beispiel in einem Elektroauto, können Hoch-Energiedichte Batterien genügend Energie zur Verfügung stellen, um sich zu bewegen 200 Meilen, bevor sie neuladen. Aber das Hinzufügen von nanotube-erhöhten ultracapacitors solchen Anlagen würde hohe Leistung für Beschleunigung und Verzögerung zur Verfügung stellen und würde erlauben, dass die Batterien für Reichweite eher als für Leistung optimiert werden.

In einem Kreuzung-elektrischen Fahrzeug, konnte das ultracapacitor die beste Option sein und Leistung für schnelle Beschleunigung bereitstellen und Verzögerung und der Augenblick, der und aufladend - Million sich entlädt oder mehr Mal über der Lebenszeit des Fahrzeugs. „Die Meisten Leute „nicht Kreuzung“ gehören des Wortes mit einem leistungsstarken Fahrzeug dazu, aber unsere ultracapacitors konnten das ändern,“ sagt Signorelli. „Die Integrierung sie in heutige hybride Technologie könnte neue Kreuzungen, die, brennstoffeffizient sind, Hochleistung erbringen, und wettbewerbsfähiges mit Nichtkreuzungfahrzeugen auf dem Markt heute kosten.“

Quelle: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:23

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