Posted in | Nanomaterials

Романное Ultracapacitor от Характеристик MIT Увеличило Силу и Хранение

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

В гонке для того чтобы начать совершенное разрешение накопления энергии, ultracapacitors exciting лошадь, котор нужно держать пари дальше. Они поставляют энергию быстро, могут быть перезаряжены в секундах, и имеют жизненный период длинной жизни - но их емкость для хранить энергия лимитирована.

Компания MIT startup теперь раскрывала романную версию которая может хранить дважды как много энергии и поставлять около 10 времен по мере того как много силы как обычный прибор может. Оборудовано с углерод-nanotube-покрынными электродами, новое ultracapacitor использует недорогие, отечественно обильные материалы и процесс производства подобный к тем используемым на большом диапазоне солнечной индустрией. Среди первых правоподобных технологий позволенных новым ultracapacitor: новый гибридный электротранспорт который совмещает топливную экономичность с высокой эффективностью и драматически недорог.

В растущем усилии работать автомобили на электричестве и производить силу от ресурсов солнечных и ветра, главный камень преткновения накопление энергии. Одна перспективнейшая технология хранения энергии ultracapacitor, прибор который предлагает значительно преимущества над самое лучшее сегодняшних батарей. Например, ultracapacitors могут обеспечить наивысшую мощность - т.е., они могут поставить энергию быстро; их можно перезарядить в секундах вернее чем часы; они могут выдержать холодные температуры, удары, и вибрации; и их можно поручить и discharged сотни тысяч времен прежде чем они носят вне. Они также содержат земл-обильные и нетоксические материалы, поэтому они гораздо легке на окружающей среде чем сегодняшние батареи.

Ultracapacitors, однако, имеет один серьезный недостаток: их низкая энергоемкость. На соответствующем размере, ultracapacitor может хранить только около 5 процентов как много энергии по мере того как чонсервная банка батареи иона лития. Сегодня, миллионы ultracapacitors использованы в батаре-приведенных в действие продуктах потребления, обеспечивающ резервные взрывы силы или сводки энергии в микрокомпьютерах, мобильных телефонах, и камерах. Но ultracapacitor способное хранения высокой энергии смогло преобразовать место энергии, делая возможные высокопроизводительные, с низким энергопотреблением гибрид и электротранспорты, ровно работающ солнечные и ветр-приведенные в действие решетки, и больше.

Вопрос хранить ионы

Ключ к накоплению энергии - ли в батарее или ultracapacitor - способность перенести и хранить вызванные запряженные частицы ионами, говорит Джоэл Schindall, Профессора Бернарда Гордона Практики в Отделе MIT Электротехники и Компьутерных Наук. Оба прибора имеют на их сердечнике электролит, смесь положительных и отрицательных ионов. В батарее, химические реакции двигают ионы от электролита в и из атомное строение материала электрода по мере того как поручена и discharged батарея. В контрасте, в ultracapacitor, электрическое поле причиняет ионы двинуть к и от поверхностей электродов. Потому Что ионы как раз льнут дальше и после этого препятствуют для того чтобы пойти - без включили химической реакции, котор - ultracapacitor могут поручить и discharge быстро, снова и снова. Но пока батарея хранит ионы повсеместно в свои электроды - где много космосов для их, котор нужно пребывать до тех пор пока батарея discharged - ultracapacitor хранит они только на своих поверхностях.

В теории, после этого, разрешение к накоплению энергии ultracapacitor просто: обеспечьте больше зоны электрода поверхностной для ионов для того чтобы прильнуть на. В сегодняшних коммерчески ultracapacitors, поверхности электрода покрыны с активированным углем, материалом который полн пор, обеспечивая поверхностную область для ионов. Но накопление энергии все еще низко.

В 2004, Schindall предложило различное разрешение: покройте электроды вместо с вертикально выровнянными nanotubes углерода. Плотно упакованный блок высокорослых, тонких nanotubes на электроде смог обеспечить серии поверхностной области для ионов. Также, пока поры в активированном угле скачками в размере и форме, nanotube «пуща» обеспечило бы прямые тропа поэтому ионы смогли прийти внутри и вне легко и упаковать совместно опрятно - как всасывать вверх краску с paintbrush вернее чем губка, говорят Schindall. Он начал исследовать принципиальную схему с сотрудницами Джном G. Kassakian, профессором электротехники, и Riccardo Signorelli, тогда аспирантом в электротехнике и компьутерных науках и затем postdoctoral сподвижницей в Лаборатории для Электромагнитных и Электронных Систем (теперь части Исследовательской Лабаратории MIT Электроники).

Принципиальная схема и первые шаги

Эта диаграмма показывает ultracapacitor исследователей «nanotube-увеличенное.» На верхней части и дне 2 плиты электрода при nanotubes углерода прикрепленные вертикально. Жидкостный электролит заполняет пространство между они, и пористый сепаратор вниз с середины держит плиты от электрически замыкать накоротко совместно. В этой диаграмме, напряжение тока через 2 плиты наводило избыток отрицательного заряда (электронов) на верхней плите и избыток положительной обязанности (отсутствия электронов) на нижняя одной. В результате, nanotubes покрыны ионами противоположной обязанности. Когда 2 плиты будут соединены внешней петлей провода, электроны пропустят через ту внешнюю цепь от недостатка к положительному электроду, приводя электричеств-уничтожая прибор в действие вдоль путя. Над временем, обе плиты потеряют их обязанность, и положительные и отрицательные ионы завещают выходили из боевого порядка и смешивание назад в электролит.

С финансированием от Союзничества Ford-MIT, команда MIT выполнила детальные изучения имитации которые подтвердили потенциальные преимущества предложенной принципиальной схемы. Имитации показали что nanotube-увеличенное ultracapacitor должно мочь хранить больше ионов чем обычный активированный уголь одни может, таким образом достигающ более высокого накопления энергии.

Ободрено теми заключениями, Schindall и Signorelli продолжали к следующей возможности: делать nanotube-увеличил электроды. В Пределах года, они выучили вырасти nanotubes углерода на кремнии - но кремний нет хорошего проводника. Растущие nanotubes на дирижируя поверхности доказанной, что быть трудне. После испытывать много материалы, конструкции, и методов, они нашли комбинация которая работала. Они использовали слой вольфрама, после этого тонкий слой алюминия - проводник - и окончательно верхний слой железной окалины, катализатор для процесса. используя специально конструированную печь, они нагрели вверх их образец, и железная окалина отделилась в капельки. Они после этого дунули разбавленный газ диссугаза через поверхность. Капельки железной окалины схватили углерод из газа, и nanotubes углерода начали расти вверх из капелек. «Каждая капелька, котор служят как фолликул - почти как луковица волоса - для роста nanotube,» говорит Schindall. Эксперименты показали что начинать с очень тонким слоем железной окалины вел к образованию малюсеньких капелек и росту nanotubes которые были высокорослы, тонки, и близко паковали - конфигурацию которая увеличивает доступную поверхностную зону на электроде.

Типичное испытание: делать прибор

Следующий шаг был интегрировать их nanotube-увеличенные электроды в прибор и испытать свою функцию. «Мы росли nanotubes около правых размеров на дирижируя субстрате, но мы не сумели как они работали бы электрически,» говорим Schindall. Он имел список возможных «showstoppers» которые смогли подрезать вверх когда они попробовали собрать прибор. Например, смогли они получить, что электролит пошли вниз между nanotubes и покрыли их поверхности? Знаны, что будут nanotubes Углерода сильно репеллентом воды. В добавлении, в этом применении, смежные nanotubes держат такую же обязанность, и их подсказки близки совместно. Ионы могли бы пройти через созданное электрическое поле теми порученными подсказками? И nanotubes могли бы выбрать вверх обязанность от основания? В конце концов они растутся на железной окалине, которая изолятор, не проводник. Ответьте любому из тех вопросов «нет,» и nanotube-увеличенное ultracapacitor не был которому сужденно для успеха.

С финансированием от дара семени Энергии MIT Инициативного, исследователя могли изготовить клетку испытания прототипа которая allayed те заботы. Они начали с их nanotube-покрынными электродами в вакууме и после этого препятствуйте воздуху нажать электролит вниз за nanotube наклоняет для того чтобы заполнить космос. Ионы могли достигнуть и покрыть всех поверхностей nanotube, и nanotubes электрически были соединены. Более Дополнительные изучения показали что основание каждого nanotube удлинило за капелькой железной окалины от которой оно росло. В Конечном Счете, своя «нога» окружила и включила капельку; в результате, она сразу была соединена к алюминиевому субстрату ниже. Прототип таким образом доказал практически выживаемость nanotube-увеличенного ultracapacitor.

Получать, что его выйти на рынок

Работа MIT показала что новое ultracapacitor смогло хранить энергия, но приборы демонстрации были каждыми размер эскиза и могли поручить и discharge только малюсенькое количество энергии. Однако, Signorelli верило что они имели потенциал. «Преобразовывать то доказательство принципиальной схемы в полномасштабный, высокопроизводительный, сбытовой прибор требовал бы очень больше технической разработки - но мы были уверенно мы смогли сделать ее случиться,» он говорит.

Во Время прошлых 4 лет, Signorelli и его коллегаы делали как раз то. В 2008, Signorelli PhD '09 и Джон Cooley PhD '11 основали Системы FastCAP, компанию направленную на commercializing nanotube-увеличенный конденсатор вместе с системами для того чтобы включить свою практически вставку. В падении 2009, FastCAP выиграло награду $5,3 миллиона в первом круге даров Агенств-Энергии (DOE) Проектов Перспективных Исследований Министерства Энергетики США (ARPA-E) - одном из как раз 37 успешных предложений из 3.600 начальных представлений. Финансирование от других источников следовать, и в падении 2011, компания получила второй дар ЛАНИ для раскрывать ultracapacitor в энергетическом рынке. FastCAP теперь расквартировано в R&D 17.000 квадрат-ног и пилотном производственном объекте в Заречье Морского порта Бостона. Оно имеет 25 работников и недавно проданный и погруженный своему первому поколению продуктов.

Самое последнее ultracapacitor FastCAP хранит дважды как много энергии по мере того как свои конкуренты консервируют и поставляет 7 до 15 времен больше силы. Оно также стоит. Оно использует сырья которые и недорог и обильны в пределах Соединенные Штаты. (Материал электрода, на пример, стоит о одн-пятидесятом как много как то используемое в обычных конденсаторах.) Процесс производства основан на методах используемых для крупносерийного производства солнечных фотовольтайческих компонентов. В результате, он и недорогие и масштабируемые - и как тантьема, необходимые оборудование и экспертиза высоко развитый и охотно - доступные.

Пока новое ultracapacitor имеет потенциальные применения в много полей, немедленный фокус на перевозке. Signorelli цитирует значительно возможности для улучшать технологию корабля. Например, в электрическом автомобиле, батареи высок-энерги-плотности могут обеспечить достаточную энергию для того чтобы переместить 200 миль перед перезаряжать. Но добавлять nanotube-увеличенные ultracapacitors к таким системам обеспечил бы наивысшую мощность для ускорения и торможения и позволил бы батареям быть оптимизированным для ряда вернее чем для силы.

В гибрид-электрическом корабле, ultracapacitor смогло быть самым лучшим вариантом, обеспечивая силу для быстрого ускорения и торможение и момент времени discharging и поручающ - миллион или больше времен над продолжительностью жизни корабля. «Большинств люди не связывают «гибрид» слово с высокопроизводительный кораблем, но наши ultracapacitors смогли изменить то,» говорит Signorelli. «Интегрировать их в сегодняшнюю гибридную технологию смогл произвести новые гибриды которые топливо эффективное, высокую эффективность, и стоить конкурсное с кораблями non-гибрида на рынке сегодня.»

Источник: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:26

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