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Posted in | Nanomaterials

MIT 機能からの新しい Ultracapacitor は力および記憶を高めました

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

完全なエネルギー蓄積の解決を開発する競争では ultracapacitors は賭けるべきエキサイティングな馬です。 それらはエネルギーをすぐに提供しが、秒に再充電することができそして長い寿命があります - エネルギーを保存するための容量は限られています。

MIT の新興企業は今慣習的な装置として多くの力ができるとそのエネルギーを二度保存し、約 10 回を提供できる新しいバージョンのベールを取ってしまいました。 カーボン nanotube 上塗を施してある電極によって装備されていて、新しい ultracapacitor は低価格、内政上豊富な材料および太陽企業によって大規模で使用されるそれらに類似した製造工程を使用します。 新しい ultracapacitor によって可能になる最初の本当らしい技術の間: 高性能と燃料効率をおよび劇的に低価格結合する新しいハイブリッド電気自動車。

電気の車を実行し、太陽、風のリソースから力を生成し成長する努力では主要な障害はエネルギー蓄積です。 1 つの有望なエネルギー蓄積の技術は ultracapacitor、今日の電池のベスト上の重要な利点がある装置です。 例えば、 ultracapacitors はすなわち、エネルギーをすぐに提供できます高いパワー提供できます; それらは時間よりもむしろ秒に再充電することができます; それらは冷たい温度、衝撃および振動に抗してもいいです; そしてそれらは身に着けている前に満たすことができ、数十万時間を排出しました。 それらはまた地球豊富で、無毒な材料を含んでいます、従って今日の電池があるより環境で大いにより容易です。

しかし Ultracapacitors に 1 つの深刻な欠点があります: 低いエネルギー蓄積容量。 同等のサイズで、 ultracapacitor は同様に多くのエネルギーとリチウムイオン電池の缶約 5% だけ保存できます。 現在、何百万の ultracapacitors は電池式の消費者製品で使用され、マイクロコンピューター、携帯電話およびカメラのエネルギーのバックアップ力または報告書の破烈を提供します。 しかし高エネルギーの記憶が可能な ultracapacitor は可能な高性能、エネルギー効率が良いハイブリッドおよび電気自動車をできま、スムーズに太陽および風力格子作る変形、エネルギー事情をおよび多くを作動させます。

イオンを保存する質問

エネルギー蓄積へのキー - かどうか電池か ultracapacitor で - 転送する機能はあり、イオンと呼出される荷電粒子を保存するために Joel Schindall を、 MIT の電気工学の部の方法の Bernard ゴードン教授およびコンピュータ・サイエンス言います。 装置は両方ともコアで電解物、肯定的で、否定的なイオンの混合物を備えています。 電池では、化学反応は電極材料の原子構造にそしてから電解物から電池が満たされ、排出されると同時にイオンを移動します。 それに対して、 ultracapacitor で、電界によりイオンは電極の表面に出入して移動します。 イオンがちょうどしがみつき、 ultracapacitor - 含まれる化学反応無しで - すぐに満たし、排出できる放すので幾度も。 電池が排出されるまで - 存在するそれらのための多くのスペースがあるかところでしかし電池が電極全体のイオンを保存する間、 - ultracapacitor は表面でだけそれらを保存します。

理論では、そして、 ultracapacitor のエネルギー蓄積への解決は簡単です: イオンがにしがみつくことができるようにより多くの電極の表面積を提供して下さい。 今日の商業 ultracapacitors では、電極の表面は作動した木炭、気孔の完全であるしがみつくイオンに表面積を提供する材料が塗られます。 しかしエネルギー蓄積はまだ低いです。

2004 年に、 Schindall は別の解決を提案しました: 縦に一直線に並べられたカーボン nanotubes と電極に代りに塗って下さい。 電極の高く、薄い nanotubes の堅く詰められたアレイはしがみつくイオンに表面積の多くを提供できます。 また作動したカーボンの気孔は不規則で、形づくが、 nanotube 「森林」はまっすぐなパスを提供します従ってイオンは - ペイントブラシが付いているペンキを吸うことのように…言います Schindall を容易にそして入り、スポンジよりもむしろ端正に一緒に詰まることができます。 彼はおよび続いて MIT の電子工学の研究所の電磁石および電子システム (今部分) のための実験室の博士課程終了後の仲間共作者ジョン G. Kassakian の電気工学部教授、およびリッカルド Signorelli、そして電気工学の大学院生およびコンピュータ・サイエンスとの概念を探索し始めました。

概念および第一歩

この図表は示します研究者の 「nanotube 高められた ultracapacitor を」。 上および底で縦に接続するカーボン nanotubes が付いている 2 つの電極の版はあります。 液体の電解物はその間のスペースを満たし、中間の下の多孔性の分離器は電気で一緒にショートからの版を保ちます。 この図表では、 2 つの版を渡る電圧は上の版の負電荷 (電子) の超過分および最下のものの正電荷 (電子の不在) の超過分を誘導しました。 その結果、 nanotubes は反対の料金のイオンによって塗られます。 2 つの版がワイヤーの外部ループによって接続される場合、電子は陰性から電気消費装置に途中で動力を与える肯定的な電極にその外部回路を貫流します。 やがて、版は両方とも料金を失い、肯定的で、否定的なイオンは壊れ、電解物に再び混合します。

フォード MIT 同盟からの資金調達によって、 MIT のチームは提案された概念の潜在的な利点を確認した詳しいシミュレーションの調査を行いました。 シミュレーションは nanotube 高められた ultracapacitor がより多くのイオンを保存べきであることを示しま、慣習的な作動カーボンが物できるよりそれにより高エネルギーの記憶を達成します。

それらの調査結果によって励まされて、 Schindall および Signorelli は次の挑戦に進みました: 作成は電極を nanotube 高めました。 年以内に、彼らはケイ素のカーボン nanotubes を育てることを学びましたが、 - ケイ素はよいコンダクターではないです。 より困難であると証明される行なう表面の成長する nanotubes。 多くの材料、デザインおよび方法をテストした後、彼らは働いた組合せを見つけました。 彼らはタングステンの層、そしてアルミニウムの薄層 - コンダクター - および最終的に酸化鉄の最上層、プロセスのための触媒を使用しました。 特に設計されていた炉を使用して、彼らは彼らのサンプルを熱し、酸化鉄はしぶきに分かれました。 それらはそれから表面を渡る希薄なアセチレンガスを吹きました。 酸化鉄のしぶきはガスからカーボンをつかみ、カーボン nanotubes はしぶきから上向きに育ち始めました。 「小胞として - ほとんど毛小胞のように - nanotube の成長のための…役立つ各しぶき」 Schindall を言います。 実験は酸化鉄の非常に薄層から開始が小さいしぶきの形成および高く、薄く、密接に - 電極の使用できる表面積を最大化する構成を詰めた nanotubes の成長の原因となったことを示しました。

最終的なテスト: 装置の作成

次のステップは nanotube 高められた電極を装置に統合し、機能をテストすることでした。 「私達は行なう基板の右の次元の nanotubes を約育てましたが、どのように電気で働くか」、言います Schindall を知りませんでした。 彼はそれらが装置をアセンブルすることを試みたときに予期せず起こることができる可能な 「showstoppers」のリストがありました。 例えば、それらは nanotubes の間で行き、表面に塗るために電解物を得るでしようか。 カーボン nanotubes は非常に水防水加工剤であるために知られています。 さらに、このアプリケーションで、隣接した nanotubes は同じ料金を保持し、先端はすぐそばです。 イオンはそれらの満たされた先端を作成された電界を通れましたか。 そして nanotubes はベースからの料金を取れましたか。 結局、それらはで絶縁体である酸化鉄、ないコンダクター育ちます。 のそれらの質問 「いいえ答えないで下さい」、および nanotube 高められた ultracapacitor 成功のために送信先ではなかったです。

MIT エネルギー初めのシードの許可からの資金調達によって、研究者はそれらの心配を静めたプロトタイプテストセルを製造できました。 彼らは真空の彼らの nanotube 上塗を施してある電極から開始し、それから空気がスペースを満たすためにひっくり返ます nanotube を過ぎて電解物を押すようにして下さい。 イオンはすべての nanotube の表面にアクセスし、塗れた nanotubes は電気で接続されました。 それ以上の調査は各 nanotube のベースが育った酸化鉄のしぶきを越えて伸びたことを示しました。 最終的に、 「フィート」はしぶきを囲み、取囲みました; その結果、それは次アルミニウム基板に直接接続されました。 プロトタイプはこうして nanotube 高められた ultracapacitor の実用的な実行可能性を証明しました。

それを販売するために得ること

MIT 作業は新しい ultracapacitor がエネルギーを保存できるがデモンストレーション装置は各サムネイルのサイズ、エネルギーの微量だけ満たし、排出できますことを示しました。 それにもかかわらず、 Signorelli はそれらに潜在性があったことを信じました。 「フル・スケール、高性能の、市場向き装置にその概念実証を変形させることは大いにより多くの開発事業を必要としますが、 - 私達は確信していました私達それを起こらせますことができます」と彼は言います。

過去の 4 年の間に、 Signorelli および彼の同僚はちょうどそれをしました。 2008 年に、 Signorelli PhD 「09 およびジョン Cooley PhD 「11 は FastCAP システム、目指した会社を創設しま実用的な実施を可能にするために nanotube 高められたコンデンサーをシステムと共に商業化します。 落下 2009 年では、 FastCAP は進められた研究計画代理店エネルギー (ARPA-E) 許可米国エネルギー省 - 3,600 の (DOE)最初の服従からのちょうど 37 の正常な提案の 1 の最初の円形の $5.3 百万賞を獲得しました。 他のソースからの資金調達は続き、落下 2011 年に、会社はエネルギー市場の ultracapacitor を配置するための第 2 雌ジカの許可を受け取りました。 FastCAP はボストンの海港地区の 17,000 平方フィート R & D そして試験生産設備で今収容されます。 それに 25 人の従業員があり、最近製品の第一世代販売され、そして出荷されて。

FastCAP の最新の ultracapacitor は競争相手が缶詰になる二度保存し、 7 から 15 倍より多くの力を提供しますとそのエネルギーを。 それはまたより少しを要します。 それは米国の内で安価、豊富である原料を使用します。 (例えば電極材料は多くを要します慣習的なコンデンサーで使用されるそれ 1 第 50 について。) 製造工程は太陽光起電コンポーネントの大規模な生産に使用する方法に基づいています。 その結果、それは低価格およびスケーラブルであり、 - ボーナスとして、必要な装置および専門知識は高度、すぐに利用できます。

新しい ultracapacitor に多くのフィールドで潜在的なアプリケーションがある間、即時の焦点は交通機関にあります。 Signorelli は手段の技術を改善するための重要な機会を引用します。 例えば、電気自動車で、高エネルギー密度電池は再充電する前に移動するために 200 マイル十分なエネルギーを提供できます。 しかしそのようなシステムへ nanotube 高められた ultracapacitors を追加することは加速および減速に高い発電を提供し、電池が力のよりもむしろ範囲のために最適化されるようにします。

ハイブリッド電気手段では、 ultracapacitor は減速排出する瞬間急速な加速に力を提供する最もよいオプションであり - 手段の寿命にわたる百万の満たしますまたはより多くの回。 「ほとんどの人々高性能手段によってワード 「はハイブリッド」関連付けませんが、私達の ultracapacitors はそれを変更できます」 Signorelli を言います。 「今日のハイブリッド技術にそれらを統合することは低燃費、高性能もたらしである、市場の非ハイブリッド手段との競争を今日要する」。ことができます新しいハイブリッドを

ソース: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:24

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