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從 MIT 功能的新穎的 Ultracapacitor 提高了功率和存貯

Published on October 10, 2012 at 5:55 AM

在開發理想的能量儲備解決方法的種族, ultracapacitors 是打賭的扣人心弦的馬。 他們迅速提供能源,可以在幾秒鐘內被充電,并且有一個長壽範圍 -,但是他們的存儲的能源能力是有限的。

MIT 新運作公司現在揭幕可能兩倍存儲同等數量能源和提供大約 10 次的一個新穎的版本,同樣多功率作為一個常規設備能。 裝備碳 nanotube 上漆的電極,新的 ultracapacitor 使用低價,國內豐富的材料和一個製造過程類似於那些使用在大規模由這個太陽行業。 在新的 ultracapacitor 啟用的第一可能的技術中: 與高性能結合燃料效率和顯著更加低價的一個新的雜種電動車。

在這個生長工作成績運行在電的汽車和從太陽和風資源產生功率,一個主要絆腳石是能量儲備。 一有為的蓄能技術是 ultracapacitor,提供重大的好處超過今天電池最好的設備。 即例如, ultracapacitors 可能提供高電源,他們可能迅速提供能源; 他們可以在幾秒鐘內被充電而不是幾小時; 他們可以承受冷溫度、衝擊和振動; 在他們用完前,并且他們可以被充電并且釋放了數十萬次。 他們也包含地球豐富和無毒材料,因此他們比今天電池是容易在這個環境。

Ultracapacitors,然而,有一個嚴重的缺點: 他們的低蓄能能力。 在一個等同的範圍, ultracapacitor 只可能存儲大約 5% 同樣多能源,像鋰離子電池罐頭。 今天,百萬 ultracapacitors 用於電池操作的消費品,提供能源備份功率或簡要爆炸在微型計算機、移動電話和照相機的。 但是 ultracapacitor 有能力在高能存貯上能變換能源舞臺,做可能的高性能,省能源的雜種和電動車,順利運行太陽和風力的網格和更多。

存儲離子的問題

能量儲備的關鍵字 - 在電池或 ultracapacitor - 是否是這個能力調用,并且存儲稱離子的荷電粒子, Joel Schindall 說,在電氣工程的 MIT 的部門的運作 Bernard 哥頓教授和計算機科學。 兩個設備有在他們的核心電解質,正和負離子混合物。 在電池,當電池被充電并且被釋放,化學反應從電解質移動離子到和在電極材料的原子結構外面。 相反,在 ultracapacitor,一個電場造成離子到/從電極的表面移動。 由於離子緊貼然後放棄 - 沒有介入的化學反應 - ultracapacitor 可能迅速充電和釋放,再次。 但是,當電池存儲在其電極中時的離子 - 有他們的許多空間能位於的地方,直到釋放電池 - ultracapacitor 在其表面仅存儲他們。

在原理上,然後,對 ultracapacitor 能量儲備的解決方法是簡單的: 為離子提供更多電極表面緊貼在上。 在今天商業 ultracapacitors,電極表面用被激活的木炭,毛孔有很多的材料塗,提供表面為緊貼的離子。 但是能量儲備是低的。

在 2004年, Schindall 建議一個不同的解決方法: 用垂直對齊的碳 nanotubes 塗電極。 緊密地被包裝的一些在電極的高,稀薄的 nanotubes 能為緊貼的離子提供許多表面。 並且,而在被激活的碳的毛孔在大小上是不規則的并且塑造, nanotube 「森林」將提供平直的路,因此離子可能裡裡外外來容易地和整潔地一起包裝 - 像吮與油漆刷的油漆而不是海綿,說 Schindall。 他在電磁式和電子系統的 (現在一部分實驗室開始測試與合作者約翰 G. Kassakian,電機學教授和裡卡爾多 Signorelli,然後電氣工程的研究生和計算機科學的概念和隨後博士後的關聯的 MIT 的電子研究實驗室)。

概念和第一步

此繪製顯示研究員的 「nanotube 改進的 ultracapacitor」。 在這個頂層和底層是有垂直附上的碳 nanotubes 的二個電極牌照。 液體電解質裝載在他們之間的空間,并且在這個中間名下的一個多孔分隔符保留從一起電子短缺的牌照。 在此繪製,在二個牌照間的電壓導致了超額負電荷 (電子) 在頂部牌照和正電荷 (缺乏超額電子) 在底部一個。 結果, nanotubes 由相反的充電的離子塗上。 當二個牌照由電匯外部循環連接,電子將流經從負的該外部電路到正電極,關閉一個電消耗的設備。 隨著時間的推移,兩個牌照將丟失他們的充電,并且正和負離子將中斷并且混合回到電解質。

從福特 MIT 聯盟的資助, MIT 小組進行了確認這個提出的概念的潛在的福利的詳細模擬研究。 模擬向顯示 nanotube 改進的 ultracapacitor 比常規激活碳一个能,從而達到高能存貯應該能存儲更多離子。

鼓勵由那些發現, Schindall 和 Signorelli 進行了下個挑戰: 做 nanotube 提高了電極。 在一年內,他們瞭解生長在硅的碳 nanotubes -,但是硅不是一個好導體。 在被證明是的一張傳導面的生長 nanotubes 更加困難的。 在測試許多材料、設計和方法以後,他們查找了運作的一個組合。 他們使用了鎢層,然後薄層鋁 - 導體 - 和終於一個頂層氧化鋼,這個進程的催化劑。 使用特殊地被設計的熔爐,他們加熱了他們的範例,并且氧化鋼分隔到小滴。 他們然後吹了在表面間的稀釋乙炔氣體。 小滴氧化鋼獲取碳出於氣體,并且碳 nanotubes 開始向上增長在小滴外面。 「起一個濾泡作用的每小滴 - 幾乎像毛囊 - 對於 nanotube 增長」, Schindall 說。 實驗向顯示開始從一非常薄層氧化鋼導致了微小的小滴的形成和是高,稀薄的和嚴密地包裝 - 配置最大化在電極的可用的表面 nanotubes 的增長。

最終測試: 做設備

下一個步驟將集成他們 nanotube 改進的電極設備和測試其功能。 「我們大約生長了在一個執行的基體的正確的維數 nanotubes,但是我們不知道他們如何將電子運作」,說 Schindall。 他有可能突然發生可能的 「showstoppers」的列表,當他們設法裝配設備。 例如,他們能獲得電解質去下來在 nanotubes 之間和塗上他們的表面? 碳 nanotubes 知道高度是水放水劑。 另外,在此應用,相鄰 nanotubes 拿著同一充電,并且他們的技巧靠近。 離子能穿過被創建的這個電場那些被充電的技巧? 并且 nanotubes 能拾起從這個基礎的充電? 終究他們在氧化鋼,沒有增長是裝绝緣體工,沒有導體。 回答那些問題中的任一個 「不」,和 nanotube 改進的 ultracapacitor 為成功不是注定的。

從 MIT 能源主動的種子授予的資助,研究員能製造緩和那些關心的還原測試細胞。 他們從他們在真空的 nanotube 上漆的電極開始了然後请讓航空推進電解質下來通過 nanotube 打翻裝載空間。 離子能存取和塗上所有 nanotube 表面,并且 nanotubes 電子被連接了。 進一步研究向顯示每 nanotube 基礎在它增長的氧化鋼小滴之外延伸了。 最終,其 「英尺」包圍并且包含小滴; 結果,它直接地被連接了到下面鋁基體。 還原因而證明 nanotube 改進的 ultracapacitor 的實用的生活能力。

獲得它銷售

MIT 工作向顯示新的 ultracapacitor 可能存儲能源,但是演示設備是每指圖的範圍,并且可能充電和釋放仅極小量能源。 然而, Signorelli 相信他們有潛在。 「變換該概念證明成一個全方位,高性能,有銷路的設備將要求更多開發工作 -,但是我們確信我們可能做它發生」,他說。

在過去四年期間, Signorelli 和他的同事執行那。 在 2008年, Signorelli PhD 『09 和約翰 Cooley PhD 『11 建立了 FastCAP 系統,瞄準的公司把 nanotube 改進的電容器商業化以及系統啟用其實用的實施。 在秋天 2009年, FastCAP 獲得了一個 $5.3 百萬證書在第一輪美國能源部 (DOE)提前的研究計劃機構能源 (ARPA-E) 授予 - 37 個成功的建議之一從 3,600 最初的提交當中。 從其他來源的資助按照,并且在秋天 2011年,這家公司接受了部署的 ultracapacitor 第二母鹿授予在能源市場上。 FastCAP 在 17,000 平方英尺 R&D 和試驗生產設施現在被安置在波士頓海口區。 它有 25 位員工和最近被出售和運送其產品的第一代。

最新的 FastCAP ultracapacitor 兩倍存儲同等數量能源,像其競爭對手裝於罐中并且提供 7 到 15 倍更多功率。 它也花費較少。 它使用是耗費小和豐富的在美國的原材料。 例如, (電極材料花費關於一第五十和用於常規電容器的那一樣多。) 製造過程在為太陽光致電壓的要素的大規模的生產的使用的方法基礎上。 結果,它是低價和可升級的 -,并且作為附加,必要的設備和專門技術是高度發展和可用的。

當新的 ultracapacitor 有潛在的應用在許多域時,這個立即重點在運輸。 Signorelli 援引改進的通信工具技術重大的機會。 例如,在一輛電車,高能源密度電池可能提供足够的能源在充電前移動 200 英里。 但是添加 nanotube 改進的 ultracapacitors 到這樣系統為加速度和減速將提供大功率,并且允許電池為範圍被優選而不是功率的。

在一個雜種電通信工具, ultracapacitor 能是這個最佳的選項,提供功率為迅速加速度和減速和釋放的即時和充電 - 在通信工具的壽命的百萬或更多倍。 「多數人員不關聯字 『雜種』一個高性能通信工具,但是我們的 ultracapacitors 可能更改那」, Signorelli 說。 「集成他們到今天雜種技術可能產生是高效燃料,高性能的新的雜種和今天花費競爭與在這個市場上的非雜種通信工具」。

來源: http://www.mit.edu

Last Update: 10. October 2012 06:22

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