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Posted in | Nanomaterials

Ultracapacitor Nouvel de MIT Comporte l'Alimentation Électrique Améliorée et la Mémoire

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

Dans l'unité de feuillets magnétiques pour développer la solution de stockage parfaite d'énergie, les ultracapacitors sont un cheval passionnant à parier en circuit. Ils fournissent l'énergie rapidement, peuvent être redébités en quelques secondes, et ont une durée de longue durée - mais leur capacité pour enregistrer l'énergie est limitée.

Une compagnie de démarrage de MIT a maintenant dévoilé une version nouvelle qui peut enregistrer deux fois autant énergie et fournir environ 10 fois autant alimentation électrique comme dispositif conventionnel peut. Équipé des électrodes carbone-nanotube-enduites, l'ultracapacitor neuf utilise le petit prix, intérieur les matériaux abondants et un processus de fabrication assimilé à ceux employés à la large échelle par l'industrie solaire. Parmi les premières technologies susceptibles activées par l'ultracapacitor neuf : un véhicule électrique hybride neuf qui combine le rendement du carburant avec la haute performance et excessivement plus peu coûteux.

Dans l'effort croissant pour faire fonctionner des véhicules sur l'électricité et pour développer l'alimentation électrique des moyens solaires et de vent, un obstacle important est stockage de l'énergie. Une technologie prometteuse de stockage d'énergie est l'ultracapacitor, un dispositif qui offre des avantages importants par rapport au meilleur des batteries d'aujourd'hui. Par exemple, les ultracapacitors peuvent fournir la haute énergie - c.-à-d., ils peuvent fournir l'énergie rapidement ; ils peuvent être redébités en quelques secondes plutôt que des heures ; ils peuvent supporter les températures, des chocs, et des vibrations à froid ; et ils peuvent être chargés et des centaines déchargées de milliers de périodes avant qu'ils s'usent à l'extérieur. Ils contiennent également les matériaux terre-abondants et non-toxiques, ainsi ils sont beaucoup plus faciles sur l'environnement que les batteries d'aujourd'hui sont.

Ultracapacitors, cependant, ont un inconvénient sérieux : leur capacité de stockage d'énergie faible. À une taille équivalente, un ultracapacitor peut enregistrer seulement environ 5 pour cent autant énergie qu'une boîte de batterie d'ion de lithium. Aujourd'hui, des millions d'ultracapacitors sont utilisés dans les produits de consommation à piles, fournissant des paquets d'impulsions de sauvegarde d'alimentation électrique ou de dossier d'énergie dans les micro-ordinateurs, les téléphones portables, et les appareils-photo. Mais un ultracapacitor capable de la mémoire de haute énergie a pu transformer la scène d'énergie, effectuant la haute performance possible, l'hybride de rendement optimum et les véhicules électriques, régulièrement faisant fonctionner des réseaux solaire- et actionnés par le vent, et plus.

Une question de enregistrer des ions

La clé au stockage de l'énergie - si dans une batterie ou un ultracapacitor - est la capacité de transférer et enregistrer les ions appelés de particules chargées, dit Joel Schindall, le Professeur de Bernard Gordon de la Pratique dans le Service du MIT du Génie Électrique et De l'informatique. Les Deux dispositifs ont à leur noyau un électrolyte, un mélange des ions positifs et négatifs. Dans une batterie, les réactions chimiques déménagent des ions de l'électrolyte dans et hors de la structure atomique du matériau d'électrode pendant que la batterie est chargée et déchargée. En revanche, dans un ultracapacitor, un champ électrique fait déménager les ions à et des surfaces des électrodes. Puisque les ions s'attachent juste en circuit et laissent alors aller - sans la réaction chimique concernée - un ultracapacitor peuvent charger et décharger rapidement, à plusieurs reprises. Mais tandis que la batterie enregistre des ions dans toutes ses électrodes - où il y a beaucoup d'espaces pour qu'elles demeurent jusqu'à ce que la batterie soit déchargée - l'ultracapacitor les enregistre seulement sur ses surfaces.

Dans la théorie, puis, la solution au stockage de l'énergie d'ultracapacitor est simple : fournissez plus de surface d'électrode pour que les ions s'attachent sur. Dans des ultracapacitors commerciaux d'aujourd'hui, des surfaces d'électrode sont enduites du charbon actif, un matériau qui est plein des pores, fournissant la surface pour les ions s'attachants. Mais le stockage de l'énergie est encore faible.

En 2004, Schindall proposé une solution différente : enduisez les électrodes au lieu des nanotubes verticalement alignés de carbone. Un alignement fortement bourré de nanotubes grands et minces sur l'électrode a pu fournir un bon nombre de surface pour les ions s'attachants. En Outre, alors que les pores en charbon actif sont irréguliers dans la taille et forment, un nanotube « forêt » fournirait des voies droites ainsi les ions pourraient sortir dedans et facilement et bourrer ensemble d'une manière ordonnée - comme aspirer la peinture avec un pinceau plutôt qu'une éponge, dit Schindall. Il a commencé à explorer le concept avec des collaborateurs John G. Kassakian, professeur de génie électrique, et Riccardo Signorelli, puis un étudiant de troisième cycle en génie électrique et de l'informatique et ultérieurement un associé post-doctoral dans le Laboratoire pour Électromagnétique et des Systèmes Électroniques (maintenant une partie du Laboratoire de Recherche du MIT de l'Électronique).

Le concept et les premières étapes

Ce tableau affiche ultracapacitor nanotube-amélioré des chercheurs le « . » Au haut et bas sont les deux plaques d'électrode avec des nanotubes de carbone jointes verticalement. Un électrolyte liquide remplit espace entre elles, et un séparateur poreux en bas du milieu maintient les plaques électriquement du court-circuit ensemble. Dans ce tableau, une tension en travers des deux plaques a induit un excès de charge négative (électrons) de la première plaque et un excès de la charge positive (l'absence des électrons) sur les inférieurs. En conséquence, les nanotubes sont vêtus par des ions de la charge opposée. Quand les deux plaques sont connectées par une boucle externe de fil, les électrons traverseront ce circuit externe du négatif à l'électrode positive, actionnant un dispositif de électricité-utilisation le long de la route. Au fil du temps, les deux plaques détruiront leur charge, et les ions positifs et négatifs se briseront loin et se mélangeront de nouveau dans l'électrolyte.

Avec le financement de l'Alliance Ford-MIT, l'équipe de MIT a réalisé les études détaillées de simulation qui ont confirmé les avantages potentiels du concept proposé. Les simulations ont prouvé que l'ultracapacitor nanotube-amélioré devrait pouvoir enregistrer plus d'ions que le lancer-carbone conventionnel ceux peut, réalisant de ce fait la mémoire de plus haute énergie.

Encouragé par ces découvertes, Schindall et Signorelli se sont produits au prochain défi : effectuer les électrodes nanotube-améliorées. Dans une année, elles avaient appris à élever des nanotubes de carbone sur le silicium - mais le silicium n'est pas un bon conducteur. Nanotubes Croissants sur une surface de conduite prouvée à être plus difficiles. Après test de beaucoup de matériaux, de designs, et de méthodes, ils ont trouvé une combinaison qui a fonctionné. Ils ont utilisé une couche de tungstène, puis une couche mince de l'aluminium - le conducteur - et finalement une couche supérieure de l'oxyde de fer, le catalyseur pour le procédé. utilisant le four particulièrement conçu, eux passionnés leur échantillon, et l'oxyde de fer ont séparé dans des gouttelettes. Ils ont alors soufflé le gaz dilué d'acétylène en travers de la surface. Les gouttelettes de l'oxyde de fer ont saisi le carbone hors du gaz, et les nanotubes de carbone ont commencé à se développer vers le haut hors des gouttelettes. « Chaque gouttelette servie de follicule - presque comme un follicule pileux - à l'accroissement de nanotube, » dit Schindall. Les Expériences ont prouvé que commencer par très un sur couche mince de l'oxyde de fer a mené à la formation des gouttelettes minuscules et à l'accroissement des nanotubes qui étaient grands, minces, et ont attentivement bourré - une configuration qui maximise la surface disponible sur l'électrode.

Le test éventuel : effectuer un dispositif

La prochaine phase était d'intégrer leurs électrodes nanotube-améliorées dans un dispositif et de tester son fonctionnement. « Nous avions élevé des nanotubes environ des bonnes cotes sur un substrat de conduite, mais nous n'avons pas su ils fonctionneraient électriquement, » dit Schindall. Il a eu une liste de « numéros sensationnels » possibles qui pourraient survenir quand ils ont essayé d'assembler un dispositif. Par exemple, pourraient-ils obtenir l'électrolyte pour aller vers le bas entre les nanotubes et pour vêtir leurs surfaces ? Des nanotubes de Carbone sont connus pour être hautement produit hydrofuge. De plus, dans cette application, les nanotubes adjacents retiennent la même charge, et leurs extrémités sont proches ensemble. Les ions pourraient-ils réussir par le champ électrique produit par ces extrémités chargées ? Et les nanotubes pourraient-ils capter la charge de la base ? Après tout, ils ne sont développés sur l'oxyde de fer, qui est un isolant, pas un conducteur. Répondez à n'importe laquelle de ces questions « non, » et l'ultracapacitor nanotube-amélioré n'était pas destiné à la réussite.

Avec le financement d'une concession Initiatique de graine d'Énergie de MIT, les chercheurs pouvaient fabriquer une cellule de test de prototype qui a apaisé ces préoccupations. Ils ont commencé par leurs électrodes nanotube-enduites dans un aspirateur et laissez alors l'air pousser l'électrolyte vers le bas au delà du nanotube dirige pour remplir espace. Les ions pouvaient atteindre et vêtir toutes les surfaces de nanotube, et les nanotubes ont été électriquement connectés. D'autres études ont prouvé que la base de chaque nanotube a étendu au delà de la gouttelette d'oxyde de fer de laquelle elle s'était développée. Éventuel, son « pied » a entouré et a entouré la gouttelette ; en conséquence, il a été directement connecté au substrat en aluminium ci-dessous. Le prototype ainsi prouvé la viabilité pratique de l'ultracapacitor nanotube-amélioré.

Obtention de lui pour lancer sur le marché

Le travail de MIT a prouvé que l'ultracapacitor neuf pourrait enregistrer l'énergie, mais les dispositifs de démonstration étaient chaque la taille d'un aperçu et pourraient facturer et décharger seulement des quantités d'énergie minuscules. Cependant, Signorelli a cru qu'ils ont eu le potentiel. La « Transformation de cette validation de principe en dispositif complet, performant, commercialisable exigerait beaucoup plus de travail développement - mais nous étions confiants nous pourrions l'effectuer se produire, » il dit.

Pendant les quatre dernières années, Signorelli et ses collègues ont fait juste cela. En 2008, Signorelli PhD '09 et John Cooley PhD '11 ont fondé des Systèmes de FastCAP, une compagnie visée commercialisant le condensateur nanotube-amélioré avec des systèmes pour activer sa mise en place pratique. Dans la chute 2009, FastCAP a gagné une récompense $5,3 millions au premier tour des concessions de l'Agence-Énergie (DOE) Avancées par Département de l'Énergie de Projets de Recherche des États-Unis (ARPA-E) - une de juste 37 propositions réussies sur 3.600 présentations initiales. Le Financement d'autres sources a suivi, et dans la chute 2011, la compagnie a reçu une deuxième concession de DAINE pour déployer l'ultracapacitor sur le marché de l'énergie. FastCAP est maintenant renfermé à une R&D de 17.000 pieds carrés et à des installations productives pilotes dans le District de Port Maritime de Boston. Il a 25 employés et récent vend et transporté sa première génération de produits.

Le dernier ultracapacitor de FastCAP enregistre deux fois autant énergie que ses concurrents mettent en boîte et fournit 7 à 15 fois plus d'alimentation électrique. Il coûte également moins. Il utilise les matières premières qui sont peu coûteuses et abondantes dans les Etats-Unis. (Le matériau d'électrode, par exemple, coûte au sujet du l'un-cinquantième autant que cela utilisé dans des condensateurs conventionnels.) Le processus de fabrication est basé sur des méthodes employées pour la production à grande échelle des composants photovoltaïques solaires. En conséquence, il est bon marché et évolutif - et comme bonus, le matériel et les compétences nécessaires sont fortement développés et facilement disponibles.

Tandis Que l'ultracapacitor neuf a des applications possibles dans beaucoup de domaines, le foyer immédiat est sur le transport. Signorelli cite des opportunités important pour améliorer la technologie de véhicule. Par exemple, dans un véhicule électrique, les batteries de haut-énergie-densité peuvent fournir assez d'énergie pour se déplacer 200 milles avant de redébiter. Mais ajouter des ultracapacitors nanotube-améliorés à de tels systèmes fournirait la haute énergie pour l'accélération et la décélération et permettrait aux batteries d'être optimisées pour le domaine plutôt que pour l'alimentation électrique.

Dans un véhicule hybride-électrique, l'ultracapacitor a pu être la meilleure option, fournissant l'alimentation électrique pour l'accélération rapide et décélération et instantané déchargeant et chargeant - million fois ou plus au-dessus de la vie du véhicule. « La Plupart Des gens « hybride » n'associent pas mot avec un véhicule performant, mais nos ultracapacitors pourraient changer cela, » dit Signorelli. « les Intégrer dans la technologie hybride d'aujourd'hui pourraient fournir les hybrides neufs qui sont performance économe en combustible et haute, et coûter compétitif avec des véhicules de non-hybride sur le marché aujourd'hui. »

Source : http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:23

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