211service.com
Nanocondensatoren met Big-Energy Storage
Het ultieme elektronische energieopslagapparaat zou veel energie opslaan, maar ook snel opladen en krachtige bursts leveren wanneer dat nodig is. Helaas kunnen de huidige apparaten alleen het een of het ander: condensatoren leveren een hoog vermogen, terwijl batterijen veel opslagruimte bieden.
Nanoporie kracht: Arrays van condensatoren die in nanoporiën zijn ingebouwd, worden hier getoond in een scanning-elektronenmicrofoto-afbeelding met een afbeelding die hun ontwerp laat zien. De poriën zijn geëtst in een aluminium substraat (donkergeel). De condensatoren vormen twee dunne lagen metaal (blauw) gescheiden door een laag isolatiemateriaal (lichtgeel).
Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Maryland een soort condensator ontwikkeld die deze eigenschappen samenbrengt. Het onderzoek bevindt zich in de beginfase en het apparaat zal moeten worden opgeschaald om praktisch te zijn, maar de eerste resultaten tonen aan dat het 100 keer meer energie kan opslaan dan eerdere apparaten in zijn soort. Uiteindelijk zouden dergelijke apparaten energiepieken uit hernieuwbare bronnen, zoals wind, kunnen opslaan en die energie indien nodig aan het elektriciteitsnet kunnen leveren. Ze kunnen ook elektrische auto's aandrijven die opladen in de tijd die nodig is om een benzinetank te vullen, in plaats van de zes tot acht uur die ze vandaag nodig hebben om op te laden.
Er zijn veel verschillende soorten batterijen en condensatoren, maar over het algemeen kunnen batterijen grote hoeveelheden energie opslaan, maar hebben ze de neiging langzaam op te laden en snel te verslijten. Condensatoren hebben daarentegen een langere levensduur en kunnen snel ontladen, maar ze slaan veel minder totale energie op. Elektrochemici en ingenieurs hebben gewerkt aan het oplossen van dit energieopslagprobleem door het vermogen van batterijen te vergroten en de opslagcapaciteit van condensatoren te vergroten.
zong bok lee , een scheikundeprofessor, en Gary Rubloff , een professor in de techniek en directeur van de Maryland NanoCenter , creëerde nanogestructureerde arrays van elektrostatische condensatoren. Elektrostatische condensatoren zijn het eenvoudigste soort elektronische energieopslagapparaat, zegt Rubloff. Ze slaan elektrische lading op op het oppervlak van twee metalen elektroden, gescheiden door een isolerend materiaal; hun opslagcapaciteit is recht evenredig met het oppervlak van deze sandwich-achtige elektroden. De onderzoekers uit Maryland hebben de opslagcapaciteit van hun condensatoren vergroot door nanofabricage te gebruiken om hun totale oppervlakte te vergroten. Hun elektroden werken op dezelfde manier als die in conventionele condensatoren, maar in plaats van plat te zijn, zijn ze buisvormig en verscholen diep in nanoporiën.
Het fabricageproces begint met een glasplaat bedekt met aluminium. Poriën worden in de plaat geëtst door deze met zuur te behandelen en onder spanning te zetten. Het is mogelijk om zeer regelmatige reeksen van kleine maar diepe poriën te maken, elk zo klein als 50 nanometer in diameter en tot 30 micrometer diep, door de reactieomstandigheden zorgvuldig te regelen. Het proces is vergelijkbaar met het proces dat wordt gebruikt om geheugenchips te maken. Vervolgens breng je een heel dun laagje metaal aan, dan een dun laagje isolator en dan nog een dun laagje metaal in deze poriën, zegt Rubloff. Deze drie lagen fungeren als de elektroden en isolerende laag van de nanocondensatoren. Een laag aluminium zit bovenop het apparaat en dient als één elektrisch contact; het andere contact wordt gemaakt met een onderliggende aluminiumlaag.
Deze fractal-achtige structuur vergroot het oppervlak enorm, zegt Joel Schindall , associate director van MIT's Laboratorium voor elektromagnetische en elektronische systemen , die niet bij het werk betrokken was.
In een paper die deze week online is gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , beschrijft de Maryland-groep het maken van 125 micrometer brede arrays, die elk een miljoen nanocondensatoren bevatten. Het oppervlak van elke array is 250 keer groter dan dat van een conventionele condensator van vergelijkbare grootte. De opslagcapaciteit van de arrays is ongeveer 100 microfarad per vierkante centimeter.
Maar het oppervlak is niet de enige bepalende factor voor de energiedichtheid. De nanocondensatoren van de Maryland-groep profiteren ook van de zeer kleine afstand tussen hun elektroden, en het werk is in dit opzicht uniek, zegt Robert Hebner , directeur van de Centrum voor Elektromechanica aan de Universiteit van Texas in Austin. Hebner was niet betrokken bij het onderzoek in Maryland.
Als de elektroden ver uit elkaar staan, stoten soortgelijke ladingen op hun oppervlak elkaar sterk af. Wanneer de elektroden dichter bij elkaar worden geplaatst, compenseren de negatieve en positieve ladingen aan weerszijden deze afstotende krachten en kan er meer totale lading worden opgeslagen in een bepaald gebied. De totale dikte van elke nanocondensator is slechts 25 nanometer en de ladingen kunnen heel dicht bij elkaar komen. Het is indrukwekkend, zegt Hebner. Ik hoop dat ze het kunnen opschalen.
Tot nu toe kunnen de nanocondensatorarrays niet veel totale energie opslaan omdat ze zo klein zijn. In plaats van deze kleine puntjes te maken, willen we een groot gebied maken met miljarden nanocondensatoren om grote hoeveelheden energie op te slaan, zegt Lee. Zowel hij als Rubloff zeggen dat opschalen naar een praktisch niveau niet triviaal is, maar het paar werkt samen om grotere arrays te maken. Er zijn veel opschalingsproblemen, zegt Rubloff. We zullen kijken hoe groot we deze kunnen maken en ze nog steeds allemaal werken.
Zelfs als dit probleem is opgelost, moeten ze er nog steeds voor zorgen dat ze meerdere arrays effectief met elkaar kunnen verbinden. Maar Hebner zegt dat dit probleem niet onoplosbaar is, en hij wijst op apparaten op de markt, waaronder gevoelige magnetische detectoren, die met succes vergelijkbare verbindingsproblemen oplossen.
Een voordeel van de nieuwe fabricagemethode is dat de afmetingen van de nanoporiën en de respectievelijke diktes van de elektrode en isolator nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd. Regelmaat en uniformiteit staan centraal bij het opschalen van nanotechnologieën tot iets dat maakbaar en commercialiseerbaar is, zegt Rubloff. Er zijn nog steeds grote hindernissen, maar we proberen te beslissen hoe dit te commercialiseren - er is zeker een dorst om dit te doen.