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Ultracapacitor Nuevo de Características del MIT Aumentó Potencia y Almacenamiento

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

En la carrera para desarrollar la solución perfecta del almacenamiento de energía, los ultracapacitors son un caballete emocionante a apostar conectado. Entregan energía rápidamente, pueden ser recargados en segundos, y tienen un palmo de la larga vida - pero su capacidad para salvar energía es limitada.

Una compañía de lanzamiento del MIT ahora ha revelado una versión nueva que puede salvar dos veces ḿas energía y entregar cerca de 10 veces como puede mucha potencia como dispositivo convencional. Equipado de los electrodos carbón-nanotube-revestidos, el nuevo ultracapacitor utiliza materiales baratos, nacionalmente abundantes y un proceso de fabricación similar a ésos usados en el gran escala por la industria solar. Entre las primeras tecnologías probables activadas por el nuevo ultracapacitor: un nuevo vehículo eléctrico híbrido que combina eficacia del combustible con alto rendimiento y dramáticamente más barato.

En el esfuerzo cada vez mayor de funcionar con los vehículos en electricidad y de generar potencia de recursos solares y del viento, un escollo importante es almacenamiento de energía. Una tecnología prometedora del almacenamiento de energía es el ultracapacitor, un dispositivo que ofrezca ventajas importantes sobre el mejor de baterías de hoy. Por ejemplo, los ultracapacitors pueden proporcionar a poder más elevado - es decir, pueden entregar energía rápidamente; pueden ser recargados en segundos bastante que horas; pueden soportar temperaturas, descargas eléctricas, y vibraciones frías; y pueden ser cargados y descargaron cientos de miles de veces antes de que se usen. También contienen los materiales tierra-abundantes y no tóxicos, así que son mucho más fáciles en el ambiente que son las baterías de hoy.

Ultracapacitors, sin embargo, tiene una desventaja seria: su capacidad de almacenamiento de energía inferior. En una talla equivalente, un ultracapacitor puede salvar el solamente cerca de 5 por ciento tanta energía como una poder de la batería de ión de litio. Hoy, millones de ultracapacitors se utilizan en productos de consumo con pilas, proporcionando a explosiones de reserva de la potencia o del escrito de la energía en microordenadores, teléfonos móviles, y cámaras. Pero un ultracapacitor capaz de almacenamiento de alta energía podía transformar la escena de energía, haciendo el híbrido posible y los vehículos eléctricos de alto rendimiento, económicos de energía, liso operatorio matrices solares y eólicas, y más.

Una cuestión de salvar los iones

El clave al almacenamiento de energía - si en una batería o un ultracapacitor - es la capacidad de transferir y salvar las partículas cargadas llamadas los iones, dice a Joel Schindall, el Profesor de Bernard Gordon de la Práctica en el Departamento del MIT de la Ingeniería Eléctrica y De informática. Ambos dispositivos tienen en su base un electrólito, una mezcla del positivo y iones negativo. En una batería, las reacciones químicas mueven los iones desde el electrólito en y de la estructura atómica del material del electrodo mientras que se carga y se descarga la batería. En cambio, en un ultracapacitor, un campo eléctrico hace los iones moverse a y desde las superficies de los electrodos. Porque los iones apenas se aferran conectado y después permiten para ir - sin la reacción química implicada - un ultracapacitor pueden cargar y descargar rápidamente, una y otra vez. Pero mientras que la batería salva los iones en sus electrodos - donde hay muchos espacios para que residan hasta que se descargue la batería - el ultracapacitor los salva solamente en sus superficies.

En teoría, entonces, la solución al almacenamiento de energía del ultracapacitor es simple: proporcione a más superficie del electrodo para que los iones se aferren sobre. En ultracapacitors comerciales de hoy, las superficies del electrodo están recubiertas con el carbón vegetal activado, un material que sea completo de poros, proporcionando a la superficie para los iones que se aferran. Pero el almacenamiento de energía es todavía inferior.

En 2004, Schindall propuso una diversa solución: recubra los electrodos en lugar de otro con los nanotubes verticalmente alineados del carbón. Un arsenal apretado pila de discos de nanotubes altos, finos en el electrodo podía proporcionar a lotes de superficie para los iones que se aferraban. También, mientras que los poros en carbón activado son irregulares de tamaño y dimensión de una variable, un nanotube “bosque” proporcionaría a caminos derechos así que los iones podrían salir hacia adentro y fácilmente y pila de discos juntos cuidadosamente - como chupar hacia arriba la pintura con una brocha bastante que una esponja, dicen Schindall. Él comenzó a explorar el concepto con los colaboradores Juan G. Kassakian, profesor de la ingeniería eléctrica, y Ricardo Signorelli, después estudiante de tercer ciclo en la ingeniería eléctrica y de informática y posteriormente un socio postdoctoral en el Laboratorio para Electromágnetico y Electronic Systems (ahora parte del Laboratorio de la Investigación del MIT de la Electrónica).

El concepto y los primeros pasos de progresión

Este diagrama muestra el ultracapacitor nanotube-aumentado de los investigadores “.” En la parte superior y la parte inferior son las dos placas del electrodo con los nanotubes del carbón asociados verticalmente. Un electrólito líquido llena el espacio entre ellas, y un separador poroso abajo del centro guarda las placas eléctricamente de poner en cortocircuito junto. En este diagrama, un voltaje a través de las dos placas ha inducido un exceso de la carga negativa (electrones) en la placa superior y un exceso de la carga positiva (la ausencia de electrones) en el inferior. Como consecuencia, los nanotubes son recubiertos por los iones de la carga opuesta. Cuando las dos placas son conectadas por un bucle externo del cable, los electrones atravesarán ese circuito externo de la negativa al electrodo positivo, moviendo por motor un dispositivo electricidad-consumidor a lo largo del camino. En un cierto plazo, ambas placas perderán su carga, y el positivo y las iones negativo se romperán de distancia y se mezclarán nuevamente dentro del electrólito.

Con el financiamiento del Ford-MIT Alliance, las personas del MIT realizaron los estudios detallados de la simulación que confirmaron las ventajas potenciales del concepto propuesto. Las simulaciones mostraron que el ultracapacitor nanotube-aumentado debe poder salvar más iones que puede el activar-carbón convencional unos, de tal modo logrando almacenamiento de una energía más alta.

Animado por esas conclusión, Schindall y Signorelli procedieron al reto siguiente: la fabricación nanotube-aumentó los electrodos. Dentro de un año, habían aprendido crecer nanotubes del carbón en el silicio - pero el silicio no es un buen conductor. Nanotubes Cada Vez Mayor en una superficie de conducto demostrada ser más difícil. Después de probar muchos materiales, diseños, y métodos, encontraron una combinación que trabajó. Utilizaron una capa de tungsteno, entonces una capa delgada del aluminio - el conductor - y finalmente una capa superior del óxido de hierro, el catalizador para el proceso. usando el horno especialmente diseñado, calentaron hacia arriba su muestra, y el óxido de hierro se separó en gotitas. Entonces soplaron el gas diluído del acetileno a través de la superficie. Las gotitas del óxido de hierro asieron el carbón fuera del gas, y los nanotubes del carbón comenzaron a crecer hacia arriba fuera de las gotitas. “Cada gotita servida como folículo - casi como un folículo de pelo - para el incremento del nanotube,” dice Schindall. Los Experimentos mostraron que el comenzar con un muy de capa delgada del óxido de hierro llevó a la formación de gotitas minúsculas y al incremento de los nanotubes que eran altos, finos, y pila de discos de cerca - una configuración que maximiza superficie disponible en el electrodo.

La prueba final: fabricación de un dispositivo

El paso de progresión siguiente era integrar sus electrodos nanotube-aumentados en un dispositivo y probar su función. “Habíamos crecido nanotubes alrededor de las dimensiones correctas en un substrato de conducto, pero no sabíamos trabajarían eléctricamente,” decimos Schindall. Él tenía un filete de los “showstoppers posibles” que podrían surgir cuando intentaron ensamblar un dispositivo. ¿Por ejemplo, podían conseguir el electrólito para ir hacia abajo entre los nanotubes y para recubrir sus superficies? Los nanotubes del Carbón se saben para ser altamente hidrófugo. Además, en esta aplicación, los nanotubes adyacentes llevan a cabo la misma carga, y sus puntas son cercanas juntas. ¿Los iones podrían pasar a través del campo eléctrico creado por esas puntas cargadas? ¿Y los nanotubes podrían tomar la carga de la base? Con todo se crecen en el óxido de hierro, que es un aislador, no un conductor. Conteste a ningunas de esas preguntas “no,” y el ultracapacitor nanotube-aumentado no era destinado para el éxito.

Con el financiamiento de una concesión Preliminar del germen de la Energía del MIT, los investigadores podían fabricar una célula de la prueba del prototipo que alivió esas preocupaciones. Comenzaron con sus electrodos nanotube-revestidos en un vacío y entonces permita el aire activar el electrólito hacia abajo más allá del nanotube inclina para llenar el espacio. Los iones podían llegar hasta y recubrir todas las superficies del nanotube, y los nanotubes fueron conectados eléctricamente. Otros estudios mostraron que la base de cada nanotube extendió más allá de la gotita del óxido de hierro de la cual había crecido. Final, su “pie” rodeó y abarcó la gotita; como consecuencia, fue conectado directamente con el substrato de aluminio abajo. El prototipo probó así la viabilidad práctica del ultracapacitor nanotube-aumentado.

Conseguirlo para comercializar

El trabajo del MIT mostró que el nuevo ultracapacitor podría salvar energía, pero los dispositivos de la demostración eran cada la talla de una uña del pulgar y podrían cargar y descargar solamente cantidades minúsculas de energía. Sin Embargo, Signorelli creyó que tenían potencial. La “Transformación de esa prueba del concepto en un dispositivo completo, de alto rendimiento, comercial requeriría mucho más trabajo de desarrollo - pero nos sentíamos confiados nosotros podríamos hacer que suceso,” él dice.

Durante los últimos cuatro años, Signorelli y sus colegas han hecho apenas eso. En 2008, el Doctorado '09 de Signorelli y el Doctorado '11 de Juan Cooley fundaron los Sistemas de FastCAP, una compañía dirigida comercializando el condensador nanotube-aumentado junto con sistemas para activar su puesta en vigor. En la caída 2009, FastCAP ganó una recompensa $5,3 millones en la primera ronda del Ministerio de los E.E.U.U. de concesiones (DOE) Avance de la Dependencia-Energía de los Proyectos de Investigación de la Energía (ARPA-E) - una de apenas 37 presentaciones acertadas de la inicial de 3,600 de las ofertas. El Financiamiento de otras fuentes siguió, y en la caída 2011, la compañía recibió una segunda concesión de la GAMA para desplegar el ultracapacitor en el mercado de la energía. FastCAP ahora se contiene en un R&D de 17.000 pies cuadrados y una instalación de producción experimental en el Distrito del Puerto Marítimo de Boston. Tiene 25 empleados y vendido recientemente y expidido su primera generación de productos.

El último ultracapacitor de FastCAP salva dos veces ḿas energía como sus competidores pueden y entrega 7 a 15 veces más potencia. También cuesta menos. Utiliza las materias primas que son baratas y abundantes dentro de los Estados Unidos. (El material del electrodo, por ejemplo, cuesta sobre uno-quincuagésimo tanto como ése usado en condensadores convencionales.) El proceso de fabricación se basa en los métodos usados para la producción en grande de componentes fotovoltaicos solares. Como consecuencia, es barato y escalable - y como premio, el equipo y la experiencia necesarios son altamente desarrollados y fácilmente disponibles.

Mientras Que el nuevo ultracapacitor tiene aplicaciones potenciales en muchos campos, el enfoque inmediato está en el transporte. Signorelli cita las oportunidades importantes para mejorar tecnología del vehículo. Por ejemplo, en un vehículo eléctrico, las baterías de la alto-energía-densidad pueden proporcionar a suficiente energía para viajar 200 millas antes de recargar. Pero agregar ultracapacitors nanotube-aumentados a tales sistemas proporcionaría al poder más elevado para la aceleración y la desaceleración y permitiría que las baterías fueran optimizadas para el rango bastante que para la potencia.

En un vehículo híbrido-eléctrico, el ultracapacitor podía ser la mejor opción, proporcionando a la potencia para la aceleración rápida y desaceleración e instante que descargaba y cargando - millón de o más veces sobre el curso de la vida del vehículo. “La Mayoría de la gente no asocia “híbrido” de la palabra con un vehículo de alto rendimiento, pero nuestros ultracapacitors podrían cambiar eso,” dice Signorelli. La “Integración de ellos en tecnología híbrida de hoy podría rendir los nuevos híbridos que son rendimiento económico en combustible, alto, y costar competitivo con los vehículos del no-híbrido en el mercado hoy.”

Fuente: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:26

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