Posted in | Nanomaterials

Nieuwe Ultracapacitor van Eigenschappen Verbeterde Macht MIT en Opslag

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

In het ras om de perfecte oplossing van de energieopslag te ontwikkelen, zijn ultracapacitors een het opwekken paard om te wedden op. Zij leveren energie snel, kunnen in seconden aanvulling, en een spanwijdte met lange levensuur hebben - maar hun capaciteit voor het opslaan van energie is beperkt.

Een MIT startbedrijf heeft nu een nieuwe versie onthuld die tweemaal zo veel energie kan opslaan en ongeveer 10 keer leveren zo veel macht aangezien een conventioneel apparaat kan. Uitgerust met koolstof-nanotube-met een laag bedekte elektroden, gebruikt nieuwe ultracapacitor goedkope, in eigen land overvloedige materialen en een productieproces gelijkend op die gebruikt bij grote schaal door de zonneindustrie. Onder de eerste waarschijnlijke technologieën die door nieuwe ultracapacitor worden toegelaten: een nieuw hybride elektrisch voertuig dat brandstofefficiency met hoge prestaties en dramatisch lagere kosten combineert.

In de groeiende inspanning om auto's op elektriciteit in werking te stellen en macht van zonne en windmiddelen te produceren, is een belangrijk struikelblok energieopslag. Één veelbelovende energieopslagtechnologie is ultracapacitor, een apparaat dat significante voordelen over het beste van de batterijen van vandaag aanbiedt. Bijvoorbeeld, kunnen ultracapacitors hoge macht verstrekken - d.w.z., kunnen zij energie snel leveren; zij kunnen in seconden eerder dan uren aanvulling; zij kunnen koude temperaturen, schokken, en trillingen weerstaan; en zij kunnen worden geladen en worden gelost honderdduizenden tijden alvorens zij uitgeput raken. Zij bevatten ook aarde-overvloedige en niet-toxische materialen, zodat zijn zij veel gemakkelijker op het milieu dan de batterijen van vandaag zijn.

Ultracapacitors, echter, heeft één ernstig nadeel: hun lage energieopslagcapaciteit. Bij een gelijkwaardige grootte, kan een ultracapacitor slechts ongeveer 5 percenten opslaan zo veel energie aangezien een lithium ionenbatterij kan. Vandaag, worden miljoenen ultracapacitors gebruikt in verbruiksgoederen op batterijen, die reservemacht of korte uitbarstingen van energie in microcomputers, cellphones, en camera's verstrekken. Maar een ultracapacitor geschikt voor hoge energieopslag kon de energiescène omzetten, die mogelijke krachtige, energy-efficient hybride en elektrische voertuigen, regelmatig werkende zonne en door de wind aangedreven netten maakt, en meer.

Een kwestie om ionen op te slaan

De sleutel tot energieopslag - hetzij in een batterij of een ultracapacitor - is de capaciteit om geladen deeltjes over te brengen en op te slaan genoemd ionen, zegt Joel Schindall, de Professor van Bernard Gordon van de Praktijk in het Ministerie van MIT van Elektrotechniek en de Wetenschap van de Computer. Beide apparaten hebben bij hun kern een elektrolyt, een mengsel van positieve en negatieve ionen. In een batterij, bewegen de chemische reacties ionen van de elektrolyt in en uit de atoomstructuur van het elektrodenmateriaal aangezien de batterij wordt geladen en gelost. In tegenstelling, in een ultracapacitor, veroorzaakt een elektrisch veld de ionen om zich aan en van de oppervlakten van de elektroden te bewegen. Omdat de ionen enkel zich vastklampen en dan laten gaan - zonder chemische reactie in kwestie - een ultracapacitor kan laden en snel, opnieuw en opnieuw lossen. Maar terwijl de batterij ionen door zijn elektroden opslaat - waar er vele ruimten voor hen om zijn te verblijven tot de batterij wordt gelost - ultracapacitor slaat hen slechts op zijn oppervlakten op.

In theorie, toen, is de oplossing voor de opslag van de ultracapacitorenergie eenvoudig: verstrek meer elektrodenoppervlakte voor ionen om me vast te klampen op. In commerciële ultracapacitors van vandaag, zijn de elektrodenoppervlakten met een laag bedekt met geactiveerde houtskool, een materiaal dat van poriën volledig is, die oppervlakte verstrekken voor vastklampende ionen. Maar de energieopslag is nog laag.

In 2004, stelde Schindall een verschillende oplossing voor: bedek in plaats daarvan de elektroden met verticaal gerichte koolstof met een laag nanotubes. Een strak ingepakte serie van lange, dunne nanotubes op de elektrode kon veel oppervlakte voor de vastklampende ionen verstrekken. Ook, terwijl de poriën in geactiveerde koolstof in grootte en vorm onregelmatig zijn, zou een nanotube „bos“ rechte wegen verstrekken zodat konden de ionen binnen en uit komen gemakkelijk en pakken samen in keurig - als omhoog het zuigen van verf met een penseel eerder dan een spons, zegt Schindall. Hij begon het concept met medewerkers John G. Kassakian, professor van elektrotechniek, en Riccardo Signorelli te onderzoeken, dan een gediplomeerde student in elektrotechniek en computerwetenschap en later een post-doctorale vennoot in het Laboratorium voor Elektromagnetisch en Electronic Systems (nu een deel van het Laboratorium van het Onderzoek van MIT van Elektronika).

Het concept en de eerste stappen

Dit diagram toont nanotube-verbeterde ultracapacitor van de onderzoekers „.“ Bij de bovenkant en de bodem zijn de twee elektrodenplaten met koolstof nanotubes verticaal in bijlage. Een vloeibare elektrolyt vult de ruimte tussen hen, en een poreuze separator onderaan het midden houdt de platen van elektrisch samen het shorting. In dit diagram, heeft een voltage over de twee platen een overmaat van negatieve last (elektronen) op de hoogste plaat en een overmaat van positieve last (de afwezigheid van elektronen) op onderste veroorzaakt. Dientengevolge, worden nanotubes met een laag bedekt door ionen van de tegenovergestelde last. Wanneer de twee platen door een externe lijn van draad worden verbonden, zullen de elektronen door die externe kring van negatief aan de positieve elektrode vloeien, die een elektriciteit-verbruikend apparaat langs de manier aandrijft. In tijd, zullen beide platen hun last verliezen, en de positieve en negatieve ionen zullen ontsnappen en zullen zich terug in de elektrolyt mengen.

Met financiering van Ford-MIT Alliance, voerde het team MIT gedetailleerde simulatiestudies uit die de potentiële voordelen van het voorgestelde concept bevestigden. De simulaties toonden aan dat nanotube-verbeterde ultracapacitor meer ionen zou moeten kunnen opslaan dan conventionele activeren-koolstofdegenen kunnen, daardoor bereikend hogere energieopslag.

Aangemoedigd door die bevindingen, gingen Schindall en Signorelli aan de volgende uitdaging te werk: het maken van nanotube-verbeterde elektroden. Binnen een jaar, hadden zij geleerd om koolstof nanotubes op silicium te kweken - maar het silicium is geen goede leider. Groeien nanotubes op een het leiden oppervlakte bleek moeilijker te zijn. Na het testen van vele materialen, ontwerpen, en methodes, vonden zij een combinatie die werkte. Zij gebruikten een laag van wolfram, toen een dunne laag van aluminium - de leider - en tenslotte een hoogste laag van ijzeroxyde, de katalysator voor het proces. gebruikend de speciaal ontworpen oven, verwarmden zij omhoog hun steekproef, en het ijzeroxyde scheidde in druppeltjes. Zij bliezen toen verdund acetyleengas over de oppervlakte. De druppeltjes van ijzeroxyde grepen koolstof uit het gas, en de koolstof nanotubes begon omhoog uit de druppeltjes voort te komen. „Elk druppeltje dat als follikel - bijna als een haarfollikel wordt gediend - voor de nanotubegroei,“ zegt Schindall. De Experimenten toonden aan dat de aanvang met een zeer dunne laag van ijzeroxyde tot de vorming van uiterst kleine druppeltjes en de groei van nanotubes die lang waren, dun, leidde en dicht - een configuratie inpakte die beschikbare oppervlakte op de elektrode maximaliseert.

De uiteindelijke test: het maken van een apparaat

De volgende stap was hun nanotube-verbeterde elektroden te integreren in een apparaat en zijn functie te testen. „Wij waren nanotubes van ongeveer de juiste afmetingen op een het leiden substraat gegroeid, maar wij wisten niet hoe zij elektrisch zouden werken,“ zeggen Schindall. Hij had een lijst van mogelijke „showstoppers“ die konden opduiken toen zij probeerden om een apparaat te assembleren. Kon Bijvoorbeeld, zij de elektrolyt om tussen nanotubes hun oppervlakten met een laag te bedekken te dalen en ertoe brengen? De Koolstof nanotubes is gekend om hoogst waterafweermiddel te zijn. Bovendien in deze toepassing, houden aangrenzende nanotubes de zelfde last, en hun uiteinden zijn samen dicht. Zouden de ionen door het elektrische veld dat door die wordt gecreeerd laadden uiteinden kunnen overgaan? En zouden nanotubes last van de basis kunnen opnemen? Toch worden zij gekweekt op ijzeroxyde, dat een isolatie, niet een leider is. Beantwoord om het even welk van die vragen „nr,“ en nanotube-verbeterde ultracapacitor was bestemd niet voor succes.

Met financiering van een het zaadtoelage van het Initiatief van de Energie MIT, konden de onderzoekers een cel van de prototypetest vervaardigen die die zorgen verminderde. Zij begonnen met hun nanotube-met een laag bedekte elektroden in een vacuüm en lieten toen lucht de elektrolyt duwen onderaan voorbij de nanotubeuiteinden om de ruimte te vullen. De ionen konden tot alle nanotubeoppervlakten toegang hebben en met een laag bedekken, en nanotubes werden elektrisch verbonden. De Verdere studies toonden aan dat de basis van elke nanotube zich voorbij het druppeltje uitbreidde van het ijzeroxyde waarvan het was gegroeid. Uiteindelijk, omringde zijn „voet“ en omringde het druppeltje; dientengevolge, werd het direct verbonden met het aluminium hieronder substraat. Het prototype bewees zo de praktische uitvoerbaarheid van nanotube-verbeterde ultracapacitor.

Het Krijgen van het aan markt

Het werk MIT toonde aan dat nieuwe ultracapacitor energie kon opslaan, maar de demonstratieapparaten waren elk de grootte van een duimnagel en konden slechts uiterst kleine hoeveelheden energie laden en lossen. Niettemin, geloofde Signorelli dat zij potentieel hadden. „Omzettend dat het bewijs van concept in een volledig, krachtig, verkoopbaar apparaat veel meer ontwikkelingswerk zou vereisen - maar wij waren zeker konden wij het maken gebeuren,“ hij zegt.

Tijdens de afgelopen vier jaar, hebben Signorelli en zijn collega's enkel dat gedaan. In 2008, Signorelli richtten het Doctoraat '09 en John Cooley PhD '11 FastCAP Systemen, een bedrijf dat op het op de markt brengen van de nanotube-verbeterde condensator samen met systemen wordt gericht op om zijn praktische implementatie toe te laten. In daling 2009, won FastCAP een $5.3 miljoen toekenning in de eerste ronde van de agentschap-Energie van de Projecten van het Onderzoek van het Ministerie (DOE) van de V.S. van Energie Geavanceerde (ARPA-e) de toelagen - één van enkel 37 succesvolle voorstellen van de 3.600 aanvankelijke voorlegging. De Financiering uit andere bronnen volgde, en in daling 2011, ontving het bedrijf een tweede toelage van DOE voor het opstellen van ultracapacitor in de energiemarkt. FastCAP wordt nu gehuisvest in een 17.000 vierkant-voet R&D en proefproductiefaciliteit in het District van de Zeehaven van Boston. Het heeft onlangs 25 werknemers en verkocht en verscheept zijn eerste generatie van producten.

Recentste ultracapacitor FastCAP slaat tweemaal zo veel energie op aangezien zijn concurrenten kunnen en levert 7 tot 15 keer meer macht. Het kost ook minder. Het gebruikt grondstoffen die zowel goedkoop als overvloedig binnen de Verenigde Staten zijn. (Het elektrodenmateriaal, bijvoorbeeld, kosten over één-vijftigste zo veel zoals dat gebruikt in conventionele condensatoren.) Het productieproces is gebaseerd op methodes die voor productie op grote schaal van zonne photovoltaic componenten worden gebruikt. Dientengevolge, is het zowel goedkoop als scalable - en als bonus, zijn de noodzakelijke apparatuur en de deskundigheid hoogontwikkeld en dadelijk beschikbaar.

Terwijl nieuwe ultracapacitor potentiële toepassingen op vele gebieden heeft, is de directe nadruk op vervoer. Signorelli haalt significante kansen om voertuigtechnologie te verbeteren aan. Bijvoorbeeld, in een elektrische auto, kunnen de hoog-energie-dichtheidsbatterijen genoeg energie verstrekken om 200 mijlen te reizen alvorens aanvulling. Maar het toevoegen van nanotube-verbeterde ultracapacitors aan dergelijke systemen zou hoge macht voor versnelling en vertraging verstrekken en zou de batterijen om voor waaier eerder dan voor macht toelaten worden geoptimaliseerd.

In een hybride-elektrisch voertuig, zou ultracapacitor kunnen de beste optie zijn, die macht voor snelle versnelling en vertraging en moment verstrekt dat en - miljoen of meer tijden over het leven van het voertuig lost laadt. De „Meeste mensen associëren niet het woord „hybride“ met een krachtig voertuig, maar onze ultracapacitors konden dat veranderen,“ zegt Signorelli. „Het Integreren van hen in de hybride technologie van vandaag kon nieuwe hybriden opbrengen die zuinige, hoge prestaties zijn, en kosten concurrerend vandaag met niet hybride voertuigen op de markt.“

Bron: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:22

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit