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Ultracapacitor Novo das Características do MIT Aumentou a Potência e o Armazenamento

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

Na raça para desenvolver a solução perfeita do armazenamento de energia, os ultracapacitors são um cavalo emocionante a apostar sobre. Entregam a energia rapidamente, podem ser recarregados nos segundos, e têm um período de longa vida - mas sua capacidade para armazenar a energia é limitada.

Uma empresa startup do MIT tem revelado agora uma versão nova que pudesse armazenar duas vezes mais energia e entregar aproximadamente 10 vezes como muita potência como um dispositivo convencional pode. Equipado com os eléctrodos carbono-nanotube-revestidos, o ultracapacitor novo usa os materiais baratos, domèstica abundantes e um processo de manufactura similar àqueles usados na grande escala pela indústria solar. Entre as primeiras tecnologias prováveis permitidas pelo ultracapacitor novo: um veículo eléctrico híbrido novo que combine a eficácia do combustível com o elevado desempenho e dramàtica mais barato.

No esforço crescente para executar carros na electricidade e para gerar a potência dos recursos solares e do vento, uma escolho principal é armazenamento de energia. Uma tecnologia prometedora do armazenagem de energia é o ultracapacitor, um dispositivo que ofereça vantagens significativas sobre o melhor de baterias de hoje. Por exemplo, os ultracapacitors podem fornecer o poder superior - isto é, podem entregar a energia rapidamente; podem ser recarregados nos segundos um pouco do que horas; podem suportar temperaturas, os choques, e vibrações frios; e podem ser cobrados e centenas descarregadas de milhares de épocas antes que gastem. Igualmente contêm materiais terra-abundantes e nontoxic, assim que são muito mais fáceis no ambiente do que as baterias de hoje são.

Ultracapacitors, contudo, tem um inconveniente sério: sua baixa capacidade de armazenagem de energia. Em um tamanho equivalente, um ultracapacitor pode armazenar somente aproximadamente 5 por cento tanta energia como uma lata da bateria de íon de lítio. Hoje, milhões de ultracapacitors são usados em produtos de consumo a pilhas, fornecendo explosões alternativas da potência ou do resumo da energia nos microcomputadores, nos telemóveis, e nas câmeras. Mas um ultracapacitor capaz do armazenamento de alta energia podia transformar a cena de energia, fazendo o híbrido possível e veículos eléctricos de capacidade elevada, energia-eficientes, lisamente operando grades solares e vento-postas, e mais.

Uma pergunta de armazenar íons

A chave ao armazenamento de energia - se em uma bateria ou em um ultracapacitor - é a capacidade para transferir e para armazenar as partículas cobradas chamadas íons, diz Joel Schindall, Professor de Bernard Gordon da Prática no Departamento do MIT da Engenharia Elétrica e da Informática. Ambos Os dispositivos têm em seu núcleo um eletrólito, uma mistura de íons positivos e negativos. Em uma bateria, as reacções químicas movem íons do eletrólito e fora da estrutura atômica do material do eléctrodo enquanto a bateria é cobrada e descarregada. Ao contrário, em um ultracapacitor, um campo elétrico faz com que os íons movam-se a e das superfícies dos eléctrodos. Porque os íons apenas se aderem sobre e se deixam então para ir - sem a reacção química envolvida - um ultracapacitor podem cobrar e se descarregar rapidamente, repetidas vezes. Mas quando a bateria armazenar íons durante todo seus eléctrodos - onde há muitos espaços para que residam até que a bateria esteja descarregada - o ultracapacitor armazena-os somente em suas superfícies.

Na teoria, então, a solução ao armazenamento de energia do ultracapacitor é simples: forneça mais área de superfície do eléctrodo para que os íons adiram-se em. Em ultracapacitors comerciais de hoje, as superfícies do eléctrodo são revestidas com o carvão vegetal ativado, um material que esteja completo dos poros, fornecendo a área de superfície para íons aderindo-se. Mas o armazenamento de energia é ainda baixo.

Em 2004, Schindall props uma solução diferente: revista os eléctrodos pelo contrário com os nanotubes verticalmente alinhados do carbono. Uma disposição firmemente embalada de nanotubes altos, finos no eléctrodo podia fornecer lotes da área de superfície para os íons aderindo-se. Também, quando os poros no carbono ativado forem irregulares em tamanho e derem forma, um nanotube “floresta” forneceria caminhos rectos assim que os íons poderiam sair dentro e facilmente e embalar junto ordenadamente - como a sugação acima da pintura com um pincel um pouco do que uma esponja, dizem Schindall. Começou a explorar o conceito com colaboradores John G. Kassakian, professor da engenharia elétrica, e Riccardo Signorelli, a seguir um aluno diplomado na engenharia elétrica e na informática e subseqüentemente um associado pos-doctoral no Laboratório para Eletromagnética e Electronic Systems (agora parte do Laboratório de Investigação do MIT da Eletrônica).

O conceito e as primeiras etapas

Este diagrama mostra o ultracapacitor nanotube-aumentado dos pesquisadores “.” Na parte superior e na parte inferior são as duas placas do eléctrodo com os nanotubes do carbono anexados verticalmente. Um eletrólito líquido enche o espaço entre elas, e um separador poroso abaixo do meio mantem as placas electricamente de shorting junto. Neste diagrama, uma tensão através das duas placas induziu um excesso de carga negativa (elétrons) na placa superior e um excesso da carga positiva (a ausência de elétrons) no inferior. Em conseqüência, os nanotubes são revestidos por íons da carga oposta. Quando as duas placas são conectadas por um laço externo do fio, os elétrons correrão através desse circuito externo do negativo ao eléctrodo positivo, pondo um dispositivo deconsumo ao longo do caminho. Ao longo do tempo, ambas as placas perderão sua carga, e os íons positivos e negativos quebrarão afastado e misturarão de novo no eletrólito.

Com o financiamento do Ford-MIT Alliance, a equipe do MIT executou os estudos detalhados da simulação que confirmaram os benefícios potenciais do conceito propor. As simulações mostraram que o ultracapacitor nanotube-aumentado deve poder armazenar mais íons do que o activar-carbono convencional uns pode, desse modo conseguindo o armazenamento de energia mais alta.

Encorajador por aqueles resultados, Schindall e Signorelli continuaram ao desafio seguinte: fazer nanotube-aumentou os eléctrodos. Dentro de um ano, tinham aprendido crescer nanotubes do carbono no silicone - mas o silicone não é um bom condutor. Nanotubes Crescentes em uma superfície de condução provada ser mais difícil. Após ter testado muitos materiais, projectos, e métodos, encontraram uma combinação que trabalhasse. Usaram uma camada de tungstênio, então uma camada fina do alumínio - o condutor - e finalmente uma camada superior do óxido de ferro, o catalizador para o processo. usando a fornalha acima especialmente projetada, calorosos sua amostra, e o óxido de ferro separaram em gotas. Fundiram então o gás diluído do acetileno através da superfície. As gotas do óxido de ferro agarraram o carbono fora do gás, e os nanotubes do carbono começaram a crescer para cima fora das gotas. “Cada gota servida como um folículo - quase como um folículo de cabelo - para o crescimento do nanotube,” diz Schindall. As Experiências mostraram que começar com uma camada muito fina de óxido de ferro conduziu à formação de gotas minúsculas e ao crescimento dos nanotubes que eram altos, finos, e embalavam pròxima - uma configuração que maximizasse a área de superfície disponível no eléctrodo.

O teste final: fazendo um dispositivo

O passo seguinte era integrar seus eléctrodos nanotube-aumentados em um dispositivo e testar sua função. “Nós tínhamos crescido nanotubes aproximadamente das dimensões direitas em uma carcaça de condução, mas nós não soubemos trabalhariam electricamente,” dizemos Schindall. Teve uma lista de “showstoppers possíveis” que poderiam colher acima quando tentaram montar um dispositivo. Por exemplo, podiam conseguir o eletrólito ir para baixo entre os nanotubes e revestir suas superfícies? Os nanotubes do Carbono são sabidos para ser altamente impermeabilizante. Além, nesta aplicação, os nanotubes adjacentes realizam a mesma carga, e suas pontas são próximas junto. Os íons poderiam passar através do campo elétrico criado por aquelas pontas cobradas? E os nanotubes poderiam pegarar a carga da base? Apesar de tudo, são crescidos no óxido de ferro, que é um isolador, não um condutor. Responda a algumas daquelas perguntas “não,” e o ultracapacitor nanotube-aumentado não era destinado para o sucesso.

Com financiamento de uma concessão da semente da Iniciativa da Energia do MIT, os pesquisadores podiam fabricar uma pilha do teste do protótipo que aliviasse aqueles interesses. Começaram com seus eléctrodos nanotube-revestidos em um vácuo e deixe então o ar empurrar o eletrólito para baixo após o nanotube derruba para encher o espaço. Os íons podiam alcançar e revestir todas as superfícies do nanotube, e os nanotubes foram conectados electricamente. Uns estudos Mais Adicionais mostraram que a base de cada nanotube estendeu além da gota do óxido de ferro de que tinha crescido. Finalmente, seu “pé” cercou e abrangeu a gota; em conseqüência, foi conectado directamente à carcaça de alumínio abaixo. O protótipo provou assim a viabilidade prática do ultracapacitor nanotube-aumentado.

Conseguindo o introduzir no mercado

O trabalho do MIT mostrou que o ultracapacitor novo poderia armazenar a energia, mas os dispositivos da demonstração eram cada o tamanho de uma unha do polegar e podiam cobrar e descarregar somente quantidades minúsculas de energia. Não Obstante, Signorelli acreditou que tiveram o potencial. “Transformar essa prova de conceito em um dispositivo completo, de capacidade elevada, negociável exigiria muito mais trabalho de desenvolvimento - mas nós estávamos seguros nós poderíamos fazê-lo acontecer,” diz.

Durante os quatro anos passados, Signorelli e seus colegas fizeram apenas aquele. Em 2008, Signorelli PhD '09 e John Cooley PhD '11 fundaram Sistemas de FastCAP, uma empresa visada comercializando o capacitor nanotube-aumentado junto com sistemas para permitir sua aplicação prática. Na queda 2009, FastCAP ganhou uma concessão $5,3 milhões na primeira ronda do Ministério de E.U. de concessões (DOE) Avançadas da Agência-Energia dos Projectos de Investigação da Energia (ARPA-E) - uma de apenas 37 propostas bem sucedidas fora de 3.600 submissões iniciais. O Financiamento de outras fontes seguiu, e na queda 2011, a empresa recebeu uma segunda concessão da GAMA para distribuir o ultracapacitor no mercado da energia. FastCAP é abrigado agora em um R&D de 17.000 pés quadrados e em uma instalação de produção piloto no Distrito do Porto de Boston. Tem 25 empregados e vende recentemente e enviado sua primeira geração de produtos.

O ultracapacitor o mais atrasado de FastCAP armazena duas vezes mais energia como seus concorrentes enlatam e entrega 7 a 15 vezes mais potência. Igualmente custa menos. Usa as matérias primas que são baratas e abundantes dentro dos Estados Unidos. (O material do eléctrodo, por exemplo, custa sobre o um-quinquagésimo tanto quanto aquele usado em capacitores convencionais.) O processo de manufactura é baseado nos métodos usados para a produção em grande escala de componentes fotovoltaicos solares. Em conseqüência, está - e como um bônus, o equipamento e a experiência necessários são desenvolvidos altamente e prontamente - disponível barato e evolutivo.

Quando o ultracapacitor novo tiver aplicações potenciais em muitos campos, o foco imediato está no transporte. Signorelli menciona oportunidades significativas para melhorar a tecnologia do veículo. Por exemplo, em um carro elétrico, as baterias da alto-energia-densidade podem fornecer bastante energia para viajar 200 milhas antes de recarregar. Mas adicionar ultracapacitors nanotube-aumentados a tais sistemas forneceria o poder superior para a aceleração e a retardação e permitiria que as baterias fossem aperfeiçoadas para a escala um pouco do que para a potência.

Em um veículo híbrido-elétrico, o ultracapacitor podia ser a melhor opção, fornecendo a potência para a aceleração rápida e retardação e instante que descarrega-se e cobrando - milhão ou mais vezes sobre a vida do veículo. “A Maioria de povos não associam “híbrido” da palavra com um veículo de capacidade elevada, mas nossos ultracapacitors poderiam mudar aquele,” diz Signorelli. “Integrá-los na tecnologia híbrida de hoje poderia render os híbrido novos que são económicos em combustível, o elevado desempenho, e custar competitivo com os veículos do não-híbrido no mercado hoje.”

Source: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:26

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