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Posted in | Nanomaterials

MIT 특징에서 비발한 Ultracapacitor는 힘과 저장을 강화했습니다

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

완벽한 에너지 저장 해결책을 개발하는 인종에서는, ultracapacitors는 위에 내기할 것이다 활발한 말 입니다. 그(것)들에는 에너지를 빨리 전달하고, 초에서 재충전될 수 있고, 장기 사용 경간이 있습니다 - 그러나 에너지 저장을 위한 그들의 수용량은 한정됩니다.

MIT 신진 기업은 지금 전통적인 장치 처럼 다량 힘이 할 수 있다 만큼 에너지를 두번 저장하고 대략 10 시간을 전달할 수 있는 비발한 버전을 밝혔습니다. 탄소 nanotube 입히는 전극 장비해, 새로운 ultracapacitor는 값이 싸고, 국내로 풍부한 물자 및 태양 기업에 의해 대규모에 사용된 그들과 유사한 제조공정을 사용합니다. 새로운 ultracapacitor에 의해 가능하게 되는 첫번째 확률이 높은 기술 사이에서: 고성능과 연료 효율을 및 극적으로 더 값이 싼 결합하는 새로운 잡종 전기 차량.

전기에 차를 달리고 태양 바람 자원에서 힘을 일으켜 성장하고 있는 노력에서는, 중요한 장애물은 에너지 저장입니다. 1개의 유망한 에너지 저장 기술은 ultracapacitor, 오늘 건전지의 베스트에 중요한 이점을 제안하는 장치입니다. 예를 들면, ultracapacitors는 고성능을 제공할 수 있습니다 - i.e, 에너지를 빨리 전달해서 좋습니다; 그(것)들은 시간 보다는 오히려 초에서 재충전될 수 있습니다; 그(것)들은 찬 온도, 충격 및 진동을 저항해서 좋습니다; 그리고 그(것)들은 지치기 전에 비용이 부과될 수 있고 수천 수백 시간을 출력했습니다. 그(것)들은 또한 지구 풍부한 비독성 물자를 포함합니다, 그래서 오늘 건전지가 이다 보다는 환경에 매우 더 쉽습니다.

Ultracapacitors에는, 그러나, 1개의 심각한 결점이 있습니다: 그들의 낮은 에너지 저장 수용량. 동등한 규모에, ultracapacitor는 다량 에너지 리튬 이온 건전지 깡통 단지 대략 5% 저장할 수 있습니다. 오늘날, ultracapacitors의 수백만은 배터리 전원을 사용하는 소비자 제품에서 사용되, 마이크로컴퓨터, 셀룰라 전화 및 사진기에 있는 에너지의 백업 힘 또는 적요 파열을 제공하. 그러나 고에너지 저장 도 할 수 있는 ultracapacitor는 가능한 고성능을 의 에너지 효과 잡종 및 전기 차량 수 있어, 매끄럽게 태양과 풍력 격자 만드는 변형시킬, 에너지 장면을 및 더 많은 것을 작전하.

이온 저장의 질문

에너지 저장에 키 - 건전지 또는 ultracapacitor에서 - 옮기는 기능은 이고 이온에게 불린 하전 입자를 저장하기 위하여, Joel Schindall를 MIT의 전자 공학 및 컴퓨터 과학의 부에 있는 사례의 Bernard Gordon 교수 말합니다. 두 장치 다 그들의 코어에 전해질, 긍정 및 부정적인 이온의 혼합물을 비치하고 있습니다. 건전지에서는, 화학 반응은 전극 물자의 원자 구조로 그리고에서 전해질에서 건전지가 비용이 부과되고는 출력되는 때 이온을. 대조적으로, ultracapacitor에서, 전기장은 이온이 전극의 표면 에서부터/로 움직이는 원인이 됩니다. 이온이 다만 위에 달라붙고기 그 후에 ultracapacitor - 관련시키는 화학 반응 없이 - 빨리 비용을 부과하고 출력하기 수 있기 떠나보내기 때문에, 몇번이고. 건전지가 출력될 때까지 - 거주할 그(것)들을 위한 많은 공간이 있는지 곳에 그러나 건전지가 그것의 전극을 통하여 이온을 저장하는 동안 - ultracapacitor는 그것의 표면에서만 그(것)들을 저장합니다.

이론에서는, 그 후에, ultracapacitor 에너지 저장에 해결책은 간단합니다: 이온이에 달라붙도록 추가 전극 표면을 제공하십시오. 오늘 상업적인 ultracapacitors에서는, 전극 표면은 활성화된 목탄, 숨구멍의 가득 차있는 달라붙는 이온을 표면을 제공하는 물자로 입힙니다. 그러나 에너지 저장은 아직도 낮습니다.

2004년에, Schindall는 다른 해결책을 제시했습니다: 수직으로 맞추어진 탄소 nanotubes로 전극을 대신 입히십시오. 전극에 키 크고, 얇은 nanotubes의 단단히 포장한 소집은 달라붙는 이온을 표면의 제비를 제공할 수 있었습니다. 활성화하는 탄소에 있는 숨구멍은 크기로 불규칙한 형성하는 그러나 더구나, nanotube "숲"는 똑바른 통로를 제공할 것이나 이온은 - 그림붓을 가진 페인트를 위로 빨기 같이 -, 말합니다 Schindall를 쉽게 안으로 그리고 나오고 갯솜 보다는 오히려 청초하게 함께 포장할 수 있었습니다. 그는 합작자 죤 G. Kassakian 의 전자 공학 교수, 및 Riccardo Signorelli, 그 후에 대학원 학생 및 연속적으로 MIT의 전자공학의 연구소의 전자기와 전자 시스템 (지금 부분)를 위한 실험실에 있는 전자 공학 및 컴퓨터 과학에 있는 박사학위 취득 후 동료와 가진 개념을 탐구하는 것을 시작했습니다.

개념 및 처음 단계

이 도표는 보여줍니다 연구원의 "nanotube 강화한 ultracapacitor를." 상단 및 바닥에 수직으로 붙어 있던 탄소 nanotubes를 가진 2개의 전극 격판덮개는 입니다. 액체 전해질은 그(것)들 사이 공간을 채우고, 중앙의 아래 다공성 분리기는 전기로 함께 누전에서 격판덮개를 지킵니다. 이 도표에서는, 2개의 격판덮개를 통해 전압은 최고 격판덮개에 음전하 (전자)의 과잉 및 밑바닥 것에 양전하 (전자 결핍)의 과잉을 유도했습니다. 그 결과로, nanotubes는 반대 책임의 이온에 의해 입힙니다. 2개의 격판덮개가 철사의 외부 루프에 의해 연결될 경우, 네거티브 전자에 의하여에서 전기 소모 장치를 길을 따라 강화하는 긍정적인 전극에 그 외부 회로가 흘러 관통할 것입니다. 오랜동안, 두 격판덮개 다 그들의 책임을 분실하고, 긍정 및 부정적인 이온은 이탈하고 전해질로 다시 섞을 것입니다.

포드 MIT 연립에서 자금 조달로, 제시한 개념의 잠재적인 이득을 확인한 상세한 시뮬레이션 연구 결과가 MIT 팀에 의하여 능력을 발휘했습니다. 시뮬레이션은 nanotube 강화된 ultracapacitor가 추가 이온을 저장할 수 있어야 합니다 보여주어, 전통적인 활성화하 탄소가 그들 할 수 있다 보다는 그로 인하여 고에너지 저장을 달성하.

그 사실 인정에 의해 격려해, Schindall와 Signorelli는 다음 도전에 진행했습니다: 만드는 것은 전극을 nanotube 강화했습니다. 년 이내에, 그(것)들은 실리콘에 탄소 nanotubes를 증가하는 것을 배웠었습니다 - 그러나 실리콘은 좋은 지휘자가 아닙니다. 더 어려운 입증되는 수행 표면에 성장하고 있는 nanotubes. 많은 물자, 디자인 및 방법을 시험한 후에, 그(것)들은 작동한 조합을 찾아냈습니다. 그(것)들은 텅스텐의 층, 그 후에 알루미늄의 얇은 층 - 지휘자 - 및 마지막으로 산화철의 꼭대기 층, 프로세스를 위한 촉매를 이용했습니다. 특별히 디자인한 로를 사용하여, 그(것)들은 그들의 견본을 점점 뜨거워지고, 산화철은 작은 물방울로 분리했습니다. 그(것)들은 그 때 표면을 통해 묽게 한 아세틸렌 가스를 불었습니다. 산화철의 작은 물방울은 가스에서 탄소를 잡고, 탄소 nanotubes는 작은 물방울에서 위쪽으로 증가하는 것을 시작되었습니다. "여포 역할을 하 - 거의 머리 여포 같이 - nanotube 성장 위한 - 각 작은 물방울," Schindall를 말합니다. 실험은 산화철의 아주 얇은 층에서 시작이 작은 작은 물방울의 대형 및 키 크고, 얇, 바싹 - 전극에 유효한 표면을 확대하는 윤곽을 포장한 nanotubes의 성장으로 이끌어 냈다는 것을 보여주었습니다.

궁극적인 시험: 장치를 만들기

다음 단계는 그들의 nanotube 강화한 전극을 장치로 통합하고 그것의 기능을 시험하기 위한 것이었습니다. "우리는 수행 기질에 적당한 차원의 nanotubes를 대략 증가했었습니다, 그러나 전기로 작동할 방법 우리는," 말합니다 Schindall를 몰랐습니다. 그는 그(것)들이 장치를 조립할 것을 시도할 때 돌발할 수 있던 가능한 "showstoppers"의 명부가 있었습니다. 예를 들면, 그(것)들은 아래로 nanotubes 사이에서 가고 그들의 표면을 입히기 위하여 전해질을 얻을 수 있었습니까? 탄소 nanotubes는 높게 근해 방수제이기 위하여 알려집니다. 추가적으로, 이 응용에서, 인접한 nanotubes는 동일 책임을 붙들고, 그들의 끝은 가깝습니다. 이온은 그 비용이 부과된 끝을 만든 전기장을 통과할 수 있을습니까 것입니다? 그리고 nanotubes는 기지에서 책임을 픽업할 수 있을습니까 것입니다? 어쨌든 그(것)들은에 절연체인 산화철, 지휘자 아닙니다 증가됩니다. 그 질문의 무엇이든에 "아니 응답하십시오,"와 nanotube 강화한 ultracapacitor 성공을 위해 정해지지 않았습니다.

MIT 에너지 처음 씨 교부금에서 자금 조달로, 연구원은 그 관심사를 가라앉힌 시제품 시험 세포를 날조할 수 있었습니다. 그(것)들은 진공에 있는 그들의 nanotube 입히는 전극에서 시작하고 그 때 공기가 공간을 채우기 위하여 기울입니다 nanotube 지나서 전해질을 아래로 밀게 하십시오. 이온은 모든 nanotube 표면에 접근하고 입힐 수 있고, nanotubes는 전기로 연결되었습니다. 추가 연구 결과는 각 nanotube의 기지가 증가했었던 산화철 작은 물방울 저쪽에 연장했다는 것을 보여주었습니다. 궁극적으로, 그것의 "보병"는 작은 물방울을 포위하고 포위했습니다; 그 결과로, 그것은 아래에 알루미늄 기질에 직접 연결되었습니다. 시제품은 이렇게 nanotube 강화한 ultracapacitor의 실제적인 생존 능력을 증명했습니다.

그것을 시장에 내놓기 위하여 얻기

MIT 일은 새로운 ultracapacitor가 에너지를 저장할 수 있었다는 것을 보여주었습니다, 그러나 데몬스트레이션 장치는 각 엄지손톱의 규모 이고 에너지 단지 작은 양을 비용을 부과하고 출력할 수 있었습니다. 역시, Signorelli는 그(것)들이 가능성으로 가지고있었다고 믿었습니다. "실물대, 고성능, 시장성이 높은 장치로 그 착상의 증명을 변형시키는 것은 매우 추가 개발 작업을 요구할 것이나 - 우리는 자부했습니다 우리 그것을 일어나 수 있었습니다," 그는 말합니다.

과거 4 년 도중, Signorelli와 그의 동료는 다만 그것을 했습니다. 2008년에, Signorelli PhD '09와 죤 Cooley PhD '11는 FastCAP 시스템, 겨냥된 회사를 발견해 그것의 실제적인 실시를 가능하게 하기 위하여 nanotube 강화한 축전기를 시스템과 더불어 제품화하. 가을 2009년에서는, FastCAP는 진행한 연구 계획 기관 에너지 (ARPA-E) 교부금 미국 에너지성 - 3,600의 (DOE) 처음 제출 중에서 다만 37의 성공적인 계획안의 한의 첫번째 라운드에 있는 $5.3 백만 상을 받았습니다. 그밖 근원에서 자금 조달은 따르고, 가을 2011년에서, 회사는 에너지 시장에 있는 ultracapacitor 배치를 위한 두번째 암컷 교부금을 수신했습니다. FastCAP는 지금 보스톤의 항구 지역에 있는 17,000 평방 피트 연구 및 개발 그리고 안내하는 생산 시설에서 유숙합니다. 그것에는 25명의 직원이 있고 최근에 제품의 그것의 이민 1세이라고 판매하고 발송해.

FastCAP 최신 ultracapacitor는 그것의 경쟁자가 통조림으로 만드다 만큼 에너지를 두번 저장하고 7 15 시간 추가 힘을 전달합니다. 그것은 또한 더 적은을 요합니다. 그것은 미국 안에서 싸기도 하고 풍부한 원료를 이용합니다. (전극 물자는, 예를 들면, 전통적인 축전기에서 사용된 그것 만큼 1 50년대에 관하여 요합니다.) 제조공정은 태양 광전지 분대의 대규모 생산에 사용된 방법에 근거를 둡니다. 그 결과로, 그것은 값이 싸기도 하고 오를 수 있고 - 상여로, 필요한 장비 및 전문 기술은 고도로 발달되곱니다 손쉽게 이용 가능합니다.

새로운 ultracapacitor에는 많은 필드에 있는 잠재적인 응용이 있는 동안, 즉시 초점은 수송에 있습니다. Signorelli는 차량 기술 향상을 위한 중요한 기회를 인용합니다. 예를 들면, 전차에서, 높 에너지 조밀도 건전지는 재충전하기 전에 이동하기 위하여 200 마일 충분한 에너지를 제공할 수 있습니다. 그러나 그 같은 시스템에 nanotube 강화한 ultracapacitors를 추가하는 것은 가속도와 감속을 고성능을 제공하고 건전지가 힘을 위한 보다는 오히려 범위를 위해 낙관되는 것을 허용할 것입니다.

잡종 전기 차량에서는, ultracapacitor는 감속 출력하는 순간 급속한 가속도를 힘을 제공하는 최고 선택권 이골 - 차량의 일생에 백만 비용을 부과하 또는 추가 시간. "대부분의 사람들 고성능 차량을 가진 워드 "는 잡종" 관련시키지 않습니다, 그러나 우리의 ultracapacitors는 그것을 바꿀 수 있었습니다," Signorelli를 말합니다. "오늘 잡종 기술로 그(것)들을 통합하는 것은 연료효율이 좋은, 고성능인 새로운 잡종을 열매를 산출하고, 시장에 비 잡종 차량에 경쟁을 오늘 요할 수 있었습니다."

근원: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:24

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