Site Sponsors
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
Posted in | Nanomaterials

Nya Ultracapacitor från Förhöjda MIT-Särdrag Driver och Lagring

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

I racen som framkallar lösningen för göra perfektenergilagring, är ultracapacitors en spännande häst som ska slå vad på. De levererar energi snabbt, kan rechargeds in understöder och har en lång livslängd - men deras kapacitet för att lagra energi begränsas.

Ett startup företag för MIT har nu avtäckt en ny version som kan lagra två gånger så mycket energi, och att leverera omkring 10 tider driva så mycket, som en konventionell apparat kan. Utrustat med kol-nanotube-täckte elektroder, låg-kostar det nya ultracapacitorbruket, domestically överflödande material och ett fabriks- processaa liknande till de som används på det stora fjäll av den sol- branschen. Bland de första rimliga teknologierna som möjliggöras av den nya ultracapacitoren: ett nytt hybrid- elektriskt medel, att sammanslutningar tankar effektivitet med kickkapacitet och dramatiskt lower, kostar.

I det växande försöket driver lindar att köra bilar på elektricitet och att frambringa från sol- och resurser, en ha som huvudämne som snubblar kvarteret, är energilagring. En lova energi-lagring teknologi är ultracapacitoren, en apparat som erbjuder viktiga fördelar över det bäst av dagens batterier. Till exempel kan ultracapacitors ge kick driver - de dvs. kan leverera energi snabbt; de kan rechargeds in understöder ganska än timmar; de kan kalla temperaturer för motståndskraften, chockar, och vibrationer; och de kan laddas och urladdningshundratusentals tider, för de ha på sig ut. De innehåller också jord-överflödande och nontoxic material, så de är mycket lättare på miljön, än dagens batterier är.

Ultracapacitors, har emellertid en allvarlig nackdel: deras låga energi-lagring kapacitet. På en motsvarighet storleksanpassa, en ultracapacitor kan lagra endast omkring 5 procent så mycket energi som en can för batteri för lithiumjon. I Dag används miljoner av ultracapacitors i batteri-drev konsumtionsprodukter och att ge reserv driver eller sammanfattar bristningar av energi i mikrodatorer, mobiltelefoner och kameror. Men en ultracapacitor som var kapabel av kickenergilagring, kunde omforma energiplatsen, danandemöjlighetkick-kapaciteten, deeffektiva hybrid- och elektriska medlen som fungerar slätt sol- och linda-drev raster, och mer.

En ifrågasätta av att lagra joner

Det nyckel- till energilagring - huruvida i ett batteri eller en ultracapacitor - är kapaciteten att överföra och lagra laddade partiklar som kallas joner, något att säga Joel Schindall, den Bernard Gordon Professorn av Öva i MITS Avdelning av Elektriskt Iscensätta och Datavetenskap. Båda apparater har på deras kärnar ur en electrolyte, en blandning av realiteten och negationjoner. I ett batteri strukturerar kemiska reaktionsflyttningjoner från electrolyten in i och ut ur det atom- av den materiella elektroden, som batteriet laddas och urladdas. I kontrast i en ultracapacitor sätter in en elkraft orsakar jonerna till flyttningen till och från ytbehandlar av elektroderna. Därför Att jonerna cling precis på och låter därefter för att gå - med ingen involverad kemisk reaktion - en ultracapacitor kan ladda och urladda snabbt, igen och igen. Men fördriva alltigenom för batteridiversehandeljoner dess elektroder - var det finns många utrymmen för att dem ska bo, tills batteriet urladdas - ultracapacitordiversehandeln som de endast på dess ytbehandlar.

I teori därefter, är lösningen till ultracapacitorenergilagring enkel: ge mer elektrod ytbehandlar område för att joner ska cling på. I dagens reklamfilmultracapacitors ytbehandlar elektroden täckas med aktiverat kol, ett materiellt, som är fullt av por och att ge ytbehandlar område för klängande joner. Men energilagring är den stilla lowen.

I 2004 föreslagna Schindall en olik lösning: täcka elektroderna i stället med vertikalt arrangera i rak linje kolnanotubes. En stramt packad samling av högväxt tunna nanotubes på elektroden kunde ge raddor ytbehandlar område för de klängande jonerna. Fördriva porna i aktiverat kol är ojämnt storleksanpassar och formar in, en nanotube ”den skulle skogen” ger raka banor, så jonerna kunde komma in och ut lätt och packa tillsammans neatly - likt suga målar upp med en paintbrush som är snarlik än en snylta, något att säga Schindall, Också. Han började att undersöka begreppet med kollaboratörer John G. Kassakian, professor av elektriskt iscensätta, och Riccardo Signorelli, då en doktorand i elektrisk iscensätta och datavetenskap och därpå en postdoctoral bundsförvant i Laboratoriumet för Elektromagnetiska och Elektroniska System (nu del av MITS ForskningLaboratoriumet av Elektronik).

Begreppet och första steg

Detta diagram visar forskare ”nanotube-förhöjda ultracapacitor.”, Upptill och botten är tvåna som elektroden pläterar med kolnanotubes som vertikalt fästas. En vätskeelectrolyte fyller utrymmet dem emellan, och ett poröst jobbkort besegrar de mellersta uppehällena pläterar från elektriskt att kortsluta tillsammans. I detta diagram pläterar har en spänning över tvåna framkallat en överskotts av negationladdningen (elektroner) på det bästa pläterar och en överskotts av realitetladdningen (frånvaroen av elektroner) på den nedersta. Som ett resultat täckas nanotubesna av joner av motsatsladdningen. När tvåna pläterar, förbinds av en utsida kretsar av binder, ska elektroner flödar till och med den utsida går runt från negationen till realitetelektroden som långt driver enkonsumera apparat längs. Med tiden pläterar båda ska förlorar deras laddning, och de ska realitet- och negationjonerna bryter bort och blandningbaksida in i electrolyten.

Med finansiering från Alliansen Ford-MIT utförde MIT-laget specificerade simuleringsstudier som bekräftade det potentiellt gynnar av det föreslagna begreppet. Simuleringarna visade att denförhöjda ultracapacitoren bör vara kompetent att lagra mer joner, än konventionellt aktivera-kol en kan och därmed att uppnå lagring för högre energi.

Uppmuntrat av det rön, fortsatte Schindall och Signorelli till den nästa utmaningen: danande nanotube-förhöjde elektroder. Inom ett år hade de lärt som växer kolnanotubes på silikoner - men silikon är inte en bra ledare. Växande nanotubes på föra ytbehandlar bevisat att vara svårare. Når de har testat många material, designer och metoder, grundar de en kombination som fungerade. De använde ett lagrar av tungsten, då stryker ett tunt lagrar av aluminium - ledaren - och slutligen ett bästa lagrar av oxiden, katalysatorn för det processaa. genom att använda den special planlagda pannan, värmde de upp deras tar prov, och strykaoxiden som avskildes in i liten droppe. De blåste därefter utspädd acetylene gasar över ytbehandla. Liten droppe av stryker oxiden gripet kol ut ur gasa, och kolnanotubes började att växa uppåt ut ur liten droppe. ”Tjänade som Varje liten droppe som en follicle - gilla nästan en hårfollicle - för nanotubetillväxten,” något att säga Schindall. Experiment visade att start med ett mycket tunt lagrar av stryker oxiden ledde till bildandet av mycket lilla liten droppe och tillväxten av nanotubes som var högväxt, tunna och packade nära - en konfiguration, som maximerar tillgängligt, ytbehandlar område på elektroden.

Det ultimat testar: danande en apparat

De nästa kliver var att integrera deras nanotube-förhöjda elektroder in i en apparat, och att testa dess fungera. ”Hade Vi fullvuxna nanotubes av omkring rätten dimensionerar på en föra substrate, men vi visste inte, hur de skulle arbete elektriskt,” något att säga Schindall. Han hade en lista av möjligheten ”showstoppers” som kunde kantjustera upp, då de försökte att montera en apparat. Till exempel kunde de få electrolyten för att gå besegrar mellan nanotubesna och täcker deras ytbehandlar? Kolnanotubes är bekant att vara bevattnar högt impregneringsmedel. I tillägg i denna applikation rymmer närgränsande nanotubes den samma laddningen, och deras spetsar är nära tillsammans. Skulle joner är kompetent att passera till och med elkraften sätter in skapat av de laddade spetsar? Och skulle nanotubesna var kompetent att välja upp laddningen från basera? Efter alla är de fullvuxna stryker på oxiden, som är en isolator, inte en ledare. Svara att något av de ifrågasätter ”inte,” och denförhöjda ultracapacitoren var inte destinerat för framgång.

Med finansiering från en MIT-EnergiInsats kärna ur lån, forskarna var kompetent att fabricera en prototyp testar cellen som lugnade de bekymmer. De startade med deras nanotube-täckte elektroder i en dammsuga, och låt därefter luftar push som electrolyten besegrar förflutna, nanotuben tippar för att fylla utrymmet. Jonerna var kompetent att ta fram, och att täcka alla nanotube ytbehandlar, och nanotubesna förbands elektriskt. mer Ytterligare studier visade att basera av varje nanotube fördjupa det okända strykaoxidliten droppe som den hade från fullvuxet. Ultimately omgav encompassed dess ”fot” och liten droppe; som ett resultat förbands den direkt till den nedanföra aluminum substraten. Prototypen bevisade thus den praktiska viabilityen av denförhöjda ultracapacitoren.

Få den att marknadsföra

MIT-arbetet visade att den nya ultracapacitoren kunde lagra energi, men demonstrationsapparaterna var varje storleksanpassa av en tumnagel och kunde ladda och urladda endast mycket lilla belopp av energi. Ändå trodde Signorelli att de hade potentiellt. ”Omforma det som är motståndskraftig av begreppet in i ettfjäll, kick-kapacitet, kräver den skulle säljbara apparaten, mycket mer utvecklingsverksamhet - men vi var säkra oss kunde göra den att hända,” honom något att säga.

Under de förgångna fyra åren har Signorelli och hans kollegor gjort precis det. I 2008 grundade Signorelli PhD '09 och John Cooley PhD '11 FastCAP System, ett företag som siktades på att kommersialisera denförhöjda kondensatorn tillsammans med system för att möjliggöra dess praktiska genomförande. I nedgången 2009, segrade FastCAP en utmärkelse $5,3 miljoner i den första rundan av U.S.-Avdelningen av Energi som (DOE) Avancerad Forskning Projekterar Byrå-Energi (ARPA-E) lån - ett av precis 37 lyckade förslag ut ur 3.600 initiala submissions. Finansieringen från andra källor följde, och i nedgången 2011, mottog företaget en understödjaDOE som lån för att utplacera ultracapacitoren i energin marknadsför. FastCAP inhysas nu i en 17.000 kvadratfot R&D och en pilot- produktionlätthet i SeaportOmrådet av Boston. Den har 25 anställda och som säljer för en tid sedan och sänder dess första utveckling av produkter.

Den senaste FastCAP ultracapacitordiversehandeln, två gånger så som mycket energi som dess konkurrenter på burk och levererar 7 till 15 tider driver mer. Den kostar också mindre. Den använder rå material som är både billiga och överflödande inom Förenta staterna. (Elektroden som är materiell, för anföra som exempel, kostar omkring en-femtionde så mycket som det som används i konventionella kondensatorer.), Det fabriks- processaa baseras på metoder som används för stordrift av sol- photovoltaic delar. Som ett resultat är den båda låg-kostar och scalable - och som en bonus, den nödvändiga utrustningen och sakkunskapen framkallas högt och klart - tillgängligt.

Fördriva den nya ultracapacitoren har potentiella applikationer i många sätter in, det omgående fokuserar är på trans. Signorelli citerar viktiga tillfällen för att förbättra medelteknologi. Till exempel i en elbil, kan kick-energi-täthet batterier ge nog energi för att resa 200 miles för uppladdning. Men tillfoga ger nanotube-förhöjda ultracapacitors till skulle sådan system kick driver för acceleration, och hastighetsminskning och skulle låter batterierna optimeras för spänner ganska, än för driva.

I ettelkraft medel, kunde ultracapacitoren vara det bäst alternativet som ger driva för foracceleration och hastighetsminskning och ögonblicken som urladdar och ladda - miljon eller mer tider över livstiden av medlet. ”Gör Mest folk inte förbundet uttrycka ”som är hybrid-” med ettkapacitet medel, men våra ultracapacitors kunde ändra det,” något att säga Signorelli. ”Kunde att Integrera dem in i dagens hybrid- teknologi nya bland för avkastning som är tankar effektiv, kickkapacitet och kostar konkurrenskraftigt med non-hybrid- medel på marknadsföra i dag.”,

Källa: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:27

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