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Ultracapacitor Novello da Potenza Migliorata Funzionalità e da Archiviazione del MIT

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

Nella corsa per trovare la soluzione perfetta di immagazzinamento dell'energia, i ultracapacitors sono un cavallo emozionante da scommettere sopra. Consegnano rapidamente l'energia, possono essere ricaricati nei secondi ed hanno una portata di lunga vita - ma la loro capacità per la memorizzazione dell'energia è limitata.

Uno start-up del MIT ora ha rivelato una versione novella che può memorizzare il doppio energia e consegnare circa 10 volte come molta potenza come unità convenzionale può. Fornito di elettrodi carbonio-nanotube-rivestiti, il nuovo ultracapacitor usa i materiali a basso costo e sul piano nazionale abbondanti e un processo di fabbricazione simile a quelli usati alla larga scala dall'industria solare. Fra le prime tecnologie probabili permesse a dal nuovo ultracapacitor: un nuovo veicolo elettrico ibrido che combina il rendimento del combustibile con il rendimento elevato e drammaticamente più a basso costo.

Nello sforzo crescente per eseguire le automobili sull'elettricità e per generare la potenza dalle risorse del vento e solari, uno scoglio importante è immagazzinamento dell'energia. L'Una tecnologia di promessa di stoccaggio di energia è il ultracapacitor, un'unità che offre i vantaggi significativi sopra il meglio di odierne batterie. Per esempio, i ultracapacitors possono fornire alto elettrico cioè, essi possono consegnare rapidamente l'energia; possono essere ricaricati nei secondi piuttosto che le ore; possono resistere alle temperature, alle scosse ed alle vibrazioni fredde; e possono essere caricati e centinaia scaricate di migliaia di periodi prima che consumino. Egualmente contengono i materiali terra-abbondanti e non tossici, in modo da sono molto più facili sull'ambiente che le odierne batterie sono.

Ultracapacitors, tuttavia, ha uno svantaggio serio: la loro capacità di immagazzinaggio di energia bassa. Ad una dimensione equivalente, un ultracapacitor può memorizzare soltanto circa 5 per cento tant'energia come una latta dell'Accumulatore litio-ione. Oggi, milioni di ultracapacitors sono utilizzati nei generi di consumo a pile, fornendo i burst di riserva del riassunto o di potenza di energia in microcomputer, in cellulari ed in macchine fotografiche. Ma un ultracapacitor capace di archiviazione dell'alta energia ha potuto trasformare la scena di energia, facente l'ibrido possibile ed i veicoli elettrici ad alto rendimento e di ottimo rendimento, uniformemente gestendo le griglie solari ed azionate dal vento e più.

Una questione di memorizzazione degli ioni

Il tasto ad immagazzinamento dell'energia - se in una batteria o in un ultracapacitor - è la capacità di trasferire e memorizzare le particelle caricate chiamate ioni, dice Joel Schindall, il Professor di Bernard Gordon della Pratica nel Dipartimento del MIT di Ingegneria Elettrica E dell'Informatica. Entrambe Le unità hanno alla loro memoria un elettrolito, una miscela degli ioni positivi e negativi. In una batteria, le reazioni chimiche muovono gli ioni dall'elettrolito in e dalla struttura atomica del materiale dell'elettrodo mentre la batteria è caricata e scaricata. Al contrario, in un ultracapacitor, un campo elettrico induce gli ioni a muoversi a e dalle superfici degli elettrodi. Poiché gli ioni aderiscono appena sopra e poi lasciano andare - senza reazione chimica in questione - un ultracapacitor possono caricarsi rapidamente e scaricare, ripetutamente. Ma mentre la batteria memorizza gli ioni in tutto i sui elettrodi - dove ci sono molti spazi affinchè loro risiedano fino a scaricare la batteria - il ultracapacitor li memorizza soltanto sulle sue superfici.

Nella teoria, poi, la soluzione ad immagazzinamento dell'energia di ultracapacitor è semplice: fornisca più area dell'elettrodo affinchè gli ioni aderiscano su. In odierni ultracapacitors commerciali, le superfici dell'elettrodo sono ricoperte di carbone attivo, un materiale che è pieno dei pori, fornente l'area per gli ioni d'aderenza. Ma l'immagazzinamento dell'energia è ancora basso.

Nel 2004, Schindall ha proposto una soluzione differente: ricopra gli elettrodi invece di nanotubes verticalmente stati allineati del carbonio. Una schiera strettamente imballata dei nanotubes alti e sottili sull'elettrodo ha potuto fornire i lotti di area per gli ioni d'aderenza. Inoltre, mentre i pori in carbonio attivato sono irregolari nella dimensione e nella forma, un nanotube “foresta„ fornirebbe le vie diritte in modo dagli ioni potrebbero uscire dentro e facilmente ed imballare insieme ordinatamente - come il succhiamento su della vernice con un pennello piuttosto che una spugna, dice Schindall. Ha cominciato ad esplorare il concetto con i collaboratori John G. Kassakian, il professor di ingegneria elettrica e Riccardo Signorelli, quindi un dottorando in ingegneria elettrica ed informatica e successivamente un socio postdottorale nel Laboratorio per Elettromagnetico e Electronic Systems (ora parte del Laboratorio Di Ricerca del MIT di Elettronica).

Il concetto ed i primi punti

Questo diagramma mostra il ultracapacitor nanotube-migliorato dei ricercatori “.„ All'alto ed al basso sono le due zolle dell'elettrodo con i nanotubes del carbonio fissati verticalmente. Un elettrolito liquido riempie lo spazio loro e un separatore poroso giù il mezzo tiene le zolle elettricamente dal cortocircuito insieme. In questo diagramma, una tensione attraverso le due zolle ha indotto un eccesso di carica negativa (elettroni) sulla zolla superiore e un eccesso di carica positiva (l'assenza di elettroni) su quello inferiore. Di conseguenza, i nanotubes sono ricoperti dagli ioni della tassa opposta. Quando le due zolle sono connesse da un ciclo esterno di collegare, gli elettroni attraverseranno quel circuito esterno dalla quantità negativa all'elettrodo positivo, alimentante un'unità diconsumo lungo la strada. Col passare del tempo, entrambe le zolle perderanno la loro tassa e gli ioni positivi e negativi scapperanno via e si mescoleranno nuovamente dentro l'elettrolito.

Con il finanziamento dal Ford-MIT Alliance, il gruppo del MIT ha svolto gli studi dettagliati di simulazione che hanno confermato i vantaggi potenziali del concetto proposto. Le simulazioni hanno indicato che il ultracapacitor nanotube-migliorato dovrebbe potere memorizzare più ioni che il attivare-carbonio convenzionale un può, quindi raggiungendo il più alto immagazzinamento dell'energia.

Incoraggiante da quei risultati, Schindall e Signorelli hanno proceduto alla sfida seguente: la fabbricazione nanotube-ha migliorato gli elettrodi. In un anno, avevano imparato coltivare i nanotubes del carbonio su silicio - ma il silicio non è un buon conduttore. Nanotubes Crescenti su una superficie di conduzione rivelata essere più difficile. Dopo avere verificato molti materiali, progettazioni e metodi, hanno trovato una combinazione che ha funzionato. Hanno utilizzato un livello di tungsteno, quindi di strato sottile di alluminio - il conduttore - e definitivo di un livello superiore di ossido di ferro, il catalizzatore per il trattamento. facendo uso della fornace specialmente progettata, hanno riscaldato il loro campione e l'ossido di ferro ha separato nelle goccioline. Poi hanno soffiato il gas diluito dell'acetilene attraverso la superficie. Le goccioline dell'ossido di ferro hanno afferrato il carbonio dal gas e i nanotubes del carbonio hanno cominciato a svilupparsi verso l'alto dalle goccioline. “Ogni gocciolina servita da follicolo - quasi come un follicolo pilifero - per la crescita del nanotube,„ dice Schindall. Gli Esperimenti hanno indicato che cominciare con molto un di strato sottile dell'ossido di ferro piombo alla formazione di goccioline minuscole ed alla crescita dei nanotubes che erano alti, sottili e molto attentamente hanno imballato - una configurazione che massimizza l'area disponibile sull'elettrodo.

L'ultima prova: fabbricazione dell'unità

Il punto seguente era di integrare i loro elettrodi nanotube-migliorati in un'unità e di verificare la sua funzione. “Avevamo coltivato i nanotubes circa di giuste dimensioni su un substrato di conduzione, ma non abbiamo saputo avrebbero funzionato elettricamente,„ diciamo Schindall. Ha avuto una lista “degli showstoppers„ possibili che potrebbero emergere quando hanno provato a montare un'unità. Per esempio, hanno potuto convincere l'elettrolito per andare giù fra i nanotubes e per ricoprire le loro superfici? I nanotubes del Carbonio sono conosciuti per essere altamente idrorepellente. Inoltre, in questa applicazione, i nanotubes adiacenti tengono la stessa tassa ed i loro suggerimenti sono insieme vicini. Gli ioni potrebbero passare attraverso il campo elettrico creato da quei suggerimenti fatti pagare? E i nanotubes potrebbero prendere la tassa dalla base? Dopo tutto, si sviluppano sull'ossido di ferro, che è un isolante, non un conduttore. Risponda a c'è ne di quelle domande “no,„ e il ultracapacitor nanotube-migliorato non era destinato a successo.

Con il finanziamento da una concessione del seme di Iniziativa di Energia del MIT, i ricercatori potevano da costruzione una camera di prova del prototipo che ha acquietato quelle preoccupazioni. Hanno cominciato con i loro elettrodi nanotube-rivestiti in un vuoto e poi hanno lasciato l'aria spingere l'elettrolito dopo i suggerimenti del nanotube per riempire lo spazio. Gli ioni potevano accedere e ricoprire a tutte le superfici del nanotube e i nanotubes sono stati connessi elettricamente. Ulteriori studi hanno indicato che la base di ogni nanotube ha esteso oltre la gocciolina dell'ossido di ferro da cui si era sviluppata. Infine, il suo “piede„ ha circondato e compreso la gocciolina; di conseguenza, direttamente è stato connesso al substrato di alluminio qui sotto. Il prototipo ha provato così l'attuabilità pratica del ultracapacitor nanotube-migliorato.

Convincerlo per commercializzare

Il lavoro del MIT ha indicato che il nuovo ultracapacitor potrebbe memorizzare l'energia, ma le unità di dimostrazione erano ogni la dimensione di un'anteprima e potrebbero riscuotere e scaricare soltanto gli importi minuscoli di energia. Tuttavia, Signorelli ha creduto che avessero potenziale. “Trasformare quel proof of concept in un'unità completa, ad alto rendimento, commerciabile richiederebbe molto più lavoro di sviluppo - ma eravamo sicuri noi potremmo farlo accadere,„ dice.

Durante i quattro anni scorsi, Signorelli ed i suoi colleghi hanno fatto appena quello. Nel 2008, il PhD '09 di Signorelli ed il PhD '11 di John Cooley hanno fondato i Sistemi di FastCAP, una società puntata su commercializzando il condensatore nanotube-migliorato con i sistemi per permettere alla sua implementazione pratica. Nella caduta 2009, FastCAP ha estratto un premio $5,3 milioni nel primo giro del Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti le concessioni (DOE) Avanzate di Agenzia-Energia di Progetti Di Ricerca (ARPA-E) - una di appena 37 riuscite proposte su 3.600 invi iniziali. Il Finanziamento da altre sorgenti è seguito e nella caduta 2011, la società ha stato sovvenzionato secondo della DAINA per lo spiegamento del ultracapacitor nel mercato dell'energia. FastCAP ora è alloggiato in una R & S di 17.000 piedi quadrati ed in un'installazione produttiva pilota nel Distretto del Porto Marittimo di Boston. Ha 25 impiegati e recentemente venduto e spedito la sua prima generazione dei prodotti.

L'ultimo ultracapacitor di FastCAP memorizza il doppio energia come i sui concorrenti inscatolano e consegna 7 - 15 volte più potenza. Egualmente costa di meno. Usa le materie prime che sono sia economiche che abbondanti in Stati Uniti. (Il materiale dell'elettrodo, per esempio, costa circa il un-cinquantesimo tanto quanto quello utilizzato in condensatori convenzionali.) Il processo di fabbricazione è basato sui metodi impiegati per produzione su grande scala delle componenti fotovoltaiche solari. Di conseguenza, è sia a basso costo che evolutivo - e come premio, la strumentazione e la competenza necessarie sono fortemente sviluppate e disponibili facilmente.

Mentre il nuovo ultracapacitor ha applicazioni potenziali in molti campi, il fuoco immediato è su trasporto. Signorelli cita le opportunità significative per il miglioramento della tecnologia del veicolo. Per esempio, in un'automobile elettrica, le batterie di alto-energia-densità possono fornire abbastanza energia per viaggiare 200 miglia prima della ricarica. Ma aggiungere i ultracapacitors nanotube-migliorati a tali sistemi fornirebbe l'alto potere per accelerazione e la decelerazione e che permetterebbe che le batterie siano ottimizzate per intervallo piuttosto che per potenza.

In un veicolo ibrido-elettrico, il ultracapacitor ha potuto essere la migliore opzione, fornente la potenza per l'accelerazione rapida e la decelerazione ed istante che scarica e facendo pagare - milione o più volte sopra la vita del veicolo. “La Maggior Parte della gente non associa “ibrido„ della parola con un veicolo ad alto rendimento, ma i nostri ultracapacitors potrebbero cambiare quello,„ dice Signorelli. “Integrarli nell'odierna tecnologia ibrida potrebbero rendere i nuovi ibridi che sono rendimento elevato economico in consumo di carburante e e costare oggi non Xerox con i veicoli dell'non ibrido sul servizio.„

Sorgente: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:24

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