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

从 MIT 功能的新颖的 Ultracapacitor 提高了功率和存贮

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

在开发理想的能量储备解决方法的种族, ultracapacitors 是打赌的扣人心弦的马。 他们迅速提供能源,可以在几秒钟内被充电,并且有一个长寿范围 -,但是他们的存储的能源能力是有限的。

MIT 新运作公司现在揭幕可能两倍存储同等数量能源和提供大约 10 次的一个新颖的版本,同样多功率作为一个常规设备能。 装备碳 nanotube 上漆的电极,新的 ultracapacitor 使用低价,国内丰富的材料和一个制造过程类似于那些使用在大规模由这个太阳行业。 在新的 ultracapacitor 启用的第一可能的技术中: 与高性能结合燃料效率和显著更加低价的一个新的杂种电动车。

在这个生长工作成绩运行在电的汽车和从太阳和风资源产生功率,一个主要绊脚石是能量储备。 一有为的蓄能技术是 ultracapacitor,提供重大的好处超过今天电池最好的设备。 即例如, ultracapacitors 可能提供高电源,他们可能迅速提供能源; 他们可以在几秒钟内被充电而不是几小时; 他们可以承受冷温度、冲击和振动; 在他们用完前,并且他们可以被充电并且释放了数十万次。 他们也包含地球丰富和无毒材料,因此他们比今天电池是容易在这个环境。

Ultracapacitors,然而,有一个严重的缺点: 他们的低蓄能能力。 在一个等同的范围, ultracapacitor 只可能存储大约 5% 同样多能源,象锂离子电池罐头。 今天,百万 ultracapacitors 用于电池操作的消费品,提供能源备份功率或简要爆炸在微型计算机、移动电话和照相机的。 但是 ultracapacitor 有能力在高能存贮上能变换能源舞台,做可能的高性能,省能源的杂种和电动车,顺利运行太阳和风力的网格和更多。

存储离子的问题

能量储备的关键字 - 在电池或 ultracapacitor - 是否是这个能力调用,并且存储称离子的荷电粒子, Joel Schindall 说,在电气工程的 MIT 的部门的运作 Bernard 哥顿教授和计算机科学。 两个设备有在他们的核心电解质,正和负离子混合物。 在电池,当电池被充电并且被释放,化学反应从电解质移动离子到和在电极材料的原子结构外面。 相反,在 ultracapacitor,一个电场造成离子到/从电极的表面移动。 由于离子紧贴然后放弃 - 没有介入的化学反应 - ultracapacitor 可能迅速充电和释放,再次。 但是,当电池存储在其电极中时的离子 - 有他们的许多空间能位于的地方,直到释放电池 - ultracapacitor 在其表面仅存储他们。

在原理上,然后,对 ultracapacitor 能量储备的解决方法是简单的: 为离子提供更多电极表面紧贴在上。 在今天商业 ultracapacitors,电极表面用被激活的木炭,毛孔有很多的材料涂,提供表面为紧贴的离子。 但是能量储备是低的。

在 2004年, Schindall 建议一个不同的解决方法: 用垂直对齐的碳 nanotubes 涂电极。 紧密地被包装的一些在电极的高,稀薄的 nanotubes 能为紧贴的离子提供许多表面。 并且,而在被激活的碳的毛孔在大小上是不规则的并且塑造, nanotube “森林”将提供平直的路,因此离子可能里里外外来容易地和整洁地一起包装 - 象吮与油漆刷的油漆而不是海绵,说 Schindall。 他在电磁式和电子系统的 (现在一部分实验室开始测试与合作者约翰 G. Kassakian,电机学教授和里卡尔多 Signorelli,然后电气工程的研究生和计算机科学的概念和随后博士后的关联的 MIT 的电子研究实验室)。

概念和第一步

此绘制显示研究员的 “nanotube 改进的 ultracapacitor”。 在这个顶层和底层是有垂直附上的碳 nanotubes 的二个电极牌照。 液体电解质装载在他们之间的空间,并且在这个中间名下的一个多孔分隔符保留从一起电子短缺的牌照。 在此绘制,在二个牌照间的电压导致了超额负电荷 (电子) 在顶部牌照和正电荷 (缺乏超额电子) 在底部一个。 结果, nanotubes 由相反的充电的离子涂上。 当二个牌照由电汇外部循环连接,电子将流经从负的该外部电路到正电极,关闭一个电消耗的设备。 随着时间的推移,两个牌照将丢失他们的充电,并且正和负离子将中断并且混合回到电解质。

从福特 MIT 联盟的资助, MIT 小组进行了确认这个提出的概念的潜在的福利的详细模拟研究。 模拟向显示 nanotube 改进的 ultracapacitor 比常规激活碳一个能,从而达到高能存贮应该能存储更多离子。

鼓励由那些发现, Schindall 和 Signorelli 进行了下个挑战: 做 nanotube 提高了电极。 在一年内,他们了解生长在硅的碳 nanotubes -,但是硅不是一个好导体。 在被证明是的一张传导面的生长 nanotubes 更加困难的。 在测试许多材料、设计和方法以后,他们查找了运作的一个组合。 他们使用了钨层,然后薄层铝 - 导体 - 和终于一个顶层氧化钢,这个进程的催化剂。 使用特殊地被设计的熔炉,他们加热了他们的范例,并且氧化钢分隔到小滴。 他们然后吹了在表面间的稀释乙炔气体。 小滴氧化钢获取碳出于气体,并且碳 nanotubes 开始向上增长在小滴外面。 “起一个滤泡作用的每小滴 - 几乎象毛囊 - 对于 nanotube 增长”, Schindall 说。 实验向显示开始从一非常薄层氧化钢导致了微小的小滴的形成和是高,稀薄的和严密地包装 - 配置最大化在电极的可用的表面 nanotubes 的增长。

最终测试: 做设备

下一个步骤将集成他们 nanotube 改进的电极设备和测试其功能。 “我们大约生长了在一个执行的基体的正确的维数 nanotubes,但是我们不知道他们如何将电子运作”,说 Schindall。 他有可能突然发生可能的 “showstoppers”的列表,当他们设法装配设备。 例如,他们能获得电解质去下来在 nanotubes 之间和涂上他们的表面? 碳 nanotubes 知道高度是水放水剂。 另外,在此应用,相邻 nanotubes 拿着同一充电,并且他们的技巧靠近。 离子能穿过被创建的这个电场那些被充电的技巧? 并且 nanotubes 能拾起从这个基础的充电? 终究他们在氧化钢,没有增长是装绝缘体工,没有导体。 回答那些问题中的任一个 “不”,和 nanotube 改进的 ultracapacitor 为成功不是注定的。

从 MIT 能源主动的种子授予的资助,研究员能制造缓和那些关心的还原测试细胞。 他们从他们在真空的 nanotube 上漆的电极开始了然后请让航空推进电解质下来通过 nanotube 打翻装载空间。 离子能存取和涂上所有 nanotube 表面,并且 nanotubes 电子被连接了。 进一步研究向显示每 nanotube 基础在它增长的氧化钢小滴之外延伸了。 最终,其 “英尺”包围并且包含小滴; 结果,它直接地被连接了到下面铝基体。 还原因而证明 nanotube 改进的 ultracapacitor 的实用的生活能力。

获得它销售

MIT 工作向显示新的 ultracapacitor 可能存储能源,但是演示设备是每指图的范围,并且可能充电和释放仅极小量能源。 然而, Signorelli 相信他们有潜在。 “变换该概念证明成一个全方位,高性能,有销路的设备将要求更多开发工作 -,但是我们确信我们可能做它发生”,他说。

在过去四年期间, Signorelli 和他的同事执行那。 在 2008年, Signorelli PhD ‘09 和约翰 Cooley PhD ‘11 建立了 FastCAP 系统,瞄准的公司把 nanotube 改进的电容器商业化以及系统启用其实用的实施。 在秋天 2009年, FastCAP 获得了一个 $5.3 百万证书在第一轮美国能源部 (DOE)提前的研究计划机构能源 (ARPA-E) 授予 - 37 个成功的建议之一从 3,600 最初的提交当中。 从其他来源的资助按照,并且在秋天 2011年,这家公司接受了部署的 ultracapacitor 第二母鹿授予在能源市场上。 FastCAP 在 17,000 平方英尺 R&D 和试验生产设施现在被安置在波士顿海口区。 它有 25 位员工和最近被出售和运送其产品的第一代。

最新的 FastCAP ultracapacitor 两倍存储同等数量能源,象其竞争对手装于罐中并且提供 7 到 15 倍更多功率。 它也花费较少。 它使用是耗费小和丰富的在美国的原材料。 例如, (电极材料花费关于一第五十和用于常规电容器的那一样多。) 制造过程在为太阳光致电压的要素的大规模的生产的使用的方法基础上。 结果,它是低价和可升级的 -,并且作为附加,必要的设备和专门技术是高度发展和可用的。

当新的 ultracapacitor 有潜在的应用在许多域时,这个立即重点在运输。 Signorelli 援引改进的通信工具技术重大的机会。 例如,在一辆电车,高能源密度电池可能提供足够的能源在充电前移动 200 英里。 但是添加 nanotube 改进的 ultracapacitors 到这样系统为加速度和减速将提供大功率,并且允许电池为范围被优选而不是功率的。

在一个杂种电通信工具, ultracapacitor 能是这个最佳的选项,提供功率为迅速加速度和减速和释放的即时和充电 - 在通信工具的寿命的百万或更多倍。 “多数人员不关联字 ‘杂种’一个高性能通信工具,但是我们的 ultracapacitors 可能更改那”, Signorelli 说。 “集成他们到今天杂种技术可能产生是高效燃料,高性能的新的杂种和今天花费竞争与在这个市场上的非杂种通信工具”。

来源: 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