211service.com
Een kwantumsprong in batterijontwerp
Een concept van een digitale kwantumbatterij, voorgesteld door een natuurkundige aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, zou een dramatische boost kunnen geven aan de energieopslagcapaciteit, als het eenmaal zijn theoretische potentieel bereikt.
Het concept vereist miljarden condensatoren op nanoschaal en zou afhankelijk zijn van kwantumeffecten - de vreemde verschijnselen die optreden op atomaire schaal - om de energieopslag te stimuleren. Conventionele condensatoren bestaan uit één paar geleidende platen of elektroden op macroschaal, gescheiden door een isolerend materiaal. Het toepassen van een spanning creëert een elektrisch veld in het isolatiemateriaal, waarbij energie wordt opgeslagen. Maar al dergelijke apparaten kunnen slechts zoveel lading vasthouden, waarboven vonkontlading optreedt tussen de elektroden, waardoor het opgeslagen vermogen wordt verspild.
Als condensatoren in plaats daarvan zouden worden gebouwd als arrays op nanoschaal - en dat is cruciaal, met elektroden op een onderlinge afstand van ongeveer 10 nanometer (of 100 atomen) - zouden kwantumeffecten dergelijke boogvorming moeten onderdrukken. Jarenlang hebben onderzoekers erkend dat condensatoren op nanoschaal ongewoon grote elektrische velden vertonen, wat suggereert dat de kleine schaal van de apparaten verantwoordelijk was voor het voorkomen van energieverlies. Maar mensen realiseerden zich niet dat een groot elektrisch veld een grote energiedichtheid betekent en kan worden gebruikt voor energieopslag die alles wat we vandaag hebben ver zou overtreffen, zegt Alfred Hubler, de fysicus uit Illinois en hoofdauteur van een papier schetsen van het concept, te publiceren in het tijdschrift Complexiteit .
Hubler beweert dat de resulterende vermogensdichtheid (de snelheid waarmee energie kan worden opgeslagen of vrijgegeven) orden van grootte groter zou kunnen zijn, en de energiedichtheid (de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen) twee tot tien keer groter dan mogelijk is met de beste lithium van vandaag. -ion en andere batterijtechnologieën.
Bovendien zouden digitale kwantumbatterijen kunnen worden gefabriceerd met behulp van bestaande lithografische chipproductietechnologieën met behulp van goedkope, niet-toxische materialen, zoals ijzer en wolfraam, bovenop een siliciumsubstraat, zegt hij. De resulterende apparaten zouden in principe weinig of geen energie verspillen omdat ze elektronen absorberen en vrijgeven. Hubler zegt dat het misschien mogelijk is om binnen een jaar een prototype te bouwen.
Tegenwoordig zijn digitale kwantumbatterijen echter slechts een onderzoeksconcept waarvoor patent is aangevraagd. Hubler heeft financiering aangevraagd bij het Defense Advanced Research Projects Agency om een dergelijk prototype te ontwikkelen, maar het concept brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee. Het is niet duidelijk dat de nano-gefabriceerde materialen niet zouden afbreken als ze eenmaal met energie waren geladen, zegt Joel Schindall , een professor in de elektrotechniek aan het MIT.
Maar Schindall zegt ook dat het concept verdienste heeft. Ik ben voorzichtig geïntrigeerd, want hij heeft wel een aantal legitieme argumenten voor het feit dat bij deze kwantumdimensies het effect van energieopslag op zijn minst aanzienlijk zal toenemen, zegt Schindall. De eerste uitdaging is: kloppen zijn aannames, of zijn er nog andere fenomenen waar niet naar gekeken is die in de weg staan?
In sommige opzichten vertegenwoordigt het concept een variatie op bestaande micro- en nano-elektronische apparaten. Als je ernaar kijkt vanuit het perspectief van digitale elektronica, is het gewoon een flashstation, zegt Hubler. Als je het bekijkt vanuit een elektrotechnisch perspectief, zou je zeggen dat dit geminiaturiseerde vacuümbuizen zijn zoals in plasma-tv's. Als je met een natuurkundige praat, is dit een netwerk van condensatoren.
Het digitale deel van het concept komt voort uit het feit dat elke nanocuumbuis individueel adresseerbaar zou zijn. Hierdoor kunnen de apparaten misschien ook worden gebruikt om gegevens op te slaan.
Er zijn andere methoden om de prestaties van condensatoren te verbeteren. Geavanceerde versies, ultracondensatoren genaamd, kunnen veel energie opslaan en sneller werken door het oppervlak van hun elektroden te vergroten en een elektrolyt te gebruiken. De groep van Schindall heeft de laad- en ontlaadsnelheden en opslagcapaciteit van traditionele ultracondensatoren verhoogd door koolstofnanobuisjes te gebruiken in plaats van actieve kool op het oppervlak van de elektrode. In wezen vergroot dit het oppervlak van de elektrode.
De voordelen van het ontwerp van Schindall - meer vermogen en energiedichtheid - kunnen cruciaal zijn voor toepassingen zoals het snel opnemen van enorme energiepulsen uit bijvoorbeeld een veld met windturbines of zonnepanelen. Bovendien heeft zijn team een benchtop-apparaat gebouwd. Het nadeel is dat de energiedichtheid van een bepaalde massa materiaal nog steeds iets lager zou zijn dan die van lithium-ionbatterijen.
Hoewel Hubler nog niets heeft gebouwd, merkt hij op dat een groep Koreaanse onderzoekers in 2005 heeft aangetoond dat condensatoren op nanoschaal kunnen worden gefabriceerd. Het apparaat van Hubler zou echter nog steeds miljarden of zelfs biljoenen van dergelijke apparaten nodig hebben.
Ik ben het er helemaal mee eens dat we dringend behoefte hebben aan nieuwe manieren om elektrische energie op te slaan, zegt Schindall. Hoewel het misschien in strijd is met wat ik doe, wens ik hem veel succes en hoop dat het werkt.