Большие планы по спасению планеты зависят от наноматериалов

Задача построения энергетического будущего, которое сохраняет и улучшает планету, является огромным мероприятием. Но все это зависит от заряженных частиц, движущихся сквозь невидимые материалы.

Задача построения энергетического будущего, которое сохраняет и улучшает планету, является огромным мероприятием. Но все это зависит от заряженных частиц, движущихся сквозь невидимые мелкие материалы.

Наноматериалы для аккумуляторов будущего

Ученые и политики признали необходимость срочного и существенного изменения мировых механизмов производства и потребления энергии, чтобы остановить движение к экологическим катаклизмам. Коррекция курса такого масштаба, безусловно, устрашает, но новый отчет в журнале Science предполагает, что технологический путь к достижению устойчивости уже проложен, это просто вопрос выбора.

В докладе, подготовленном международной группой исследователей, изложено, каким образом исследования в области наноматериалов для хранения энергии за последние два десятилетия позволили сделать большой шаг, который будет необходим для использования устойчивых источников энергии.

«Большинство самых больших проблем, стоящих перед стремлением к устойчивости, могут быть связаны с необходимостью лучшего хранения энергии», - сказал Юрий Гогоци, доктор философии из университета Дрекселя и ведущий автор работы. «Будь то более широкое использование возобновляемых источников энергии, стабилизация электросетей, управление потребностями в энергии наших вездесущих интеллектуальных  технологий или переход нашего транспорта к электричеству.  Вопрос, с которым мы сталкиваемся, заключается в том, как улучшить технологию хранения и распределения энергии. После десятилетий исследований и разработок, ответ на этот вопрос может быть предложен наноматериалами».

Авторы представляют всесторонний анализ состояния исследований в области накопления энергии с использованием наноматериалов и предлагают направление, в котором должны развиваться исследования и разработки, чтобы технология достигла основной жизнеспособности.

Проблема интеграции возобновляемых ресурсов в нашу энергосистему состоит в том, что трудно управлять спросом и предложением энергии, учитывая непредсказуемую природу. Таким образом, необходимы огромные устройства накопления энергии для размещения всей энергии, которая генерируется, когда светит солнце и дует ветер, а затем может быстро потребляться во время периодов высокого спроса энергии.

«Чем лучше мы станем улавливать и хранить энергию, тем больше мы сможем использовать возобновляемые источники энергии, которые имеют прерывистый характер», - сказал Гогоци. «Батареи похожи на фермерский ангар, если он недостаточно большой и сконструирован таким образом, чтобы сохранить урожай, то будет сложно пережить долгую зиму. В энергетической отрасли сейчас можно сказать, что мы все еще пытаемся построить правильный бункер для нашего урожая, и именно в этом могут помочь наноматериалы ".

Наноматериалы позволяют ученым переосмыслить конструкцию батареи, которая будет играть ключевую роль в будущем накопления энергии. 

Устранение проблемы с накоплением энергии было согласованной целью для ученых, которые применяют инженерные принципы для создания материалов и управления ими на атомном уровне. Их усилия только за последнее десятилетие, о которых говорилось в отчете, уже улучшили аккумуляторы для смартфонов, ноутбуков и электромобилей.

«Многие из наших самых больших достижений в области накопления энергии за последние годы связаны с интеграцией наноматериалов», - сказал Гогоци. «Литий-ионные аккумуляторы уже используют углеродные нанотрубки в качестве проводящих добавок в электродах аккумуляторов, чтобы они заряжались быстрее и дольше. И все большее количество аккумуляторов использует нанокремниевые частицы в своих анодах для увеличения количества запасаемой энергии.

Внедрение наноматериалов является постепенным процессом, и в будущем мы увидим все больше наноразмерных материалов внутри батарей».

Долгое время конструкция батареи основывалась, главным образом, на поиске прогрессивно более качественных энергетических материалов и их комбинаций для хранения большего количества электронов. Но в последнее время технологические разработки позволили ученым сконструировать материалы для устройств накопления энергии, которые улучшают функции передачи и хранения.

Этот процесс, называемый наноструктурированием, вводит частицы, трубки, хлопья и стопки наноразмерных материалов в качестве новых компонентов батарей, конденсаторов и суперконденсаторов. Их форма и атомная структура могут ускорить поток электронов - сердцебиение электрической энергии. А их большая площадь поверхности обеспечивает больше мест для отдыха заряженных частиц .

Эффективность наноматериалов даже позволила ученым переосмыслить основные конструкции самих батарей. Благодаря металлически проводящим наноструктурным материалам, обеспечивающим возможность свободного потока электронов во время зарядки и разрядки, батареи могут потерять значительную часть веса и размера, исключив токосъемники из металлической фольги, которые необходимы в обычных батареях. В результате их форма больше не является ограничивающим фактором для устройств, на которые они работают.

Аккумуляторы разряжаются, заряжаются быстрее и изнашиваются медленно, но они также могут быть массивными, заряжаться постепенно, накапливать огромное количество энергии в течение длительных периодов времени и выдавать ее по требованию.

«Это очень интересное время для работы в области наноразмерных материалов для накопления энергии», - сказала Екатерина Померанцева, кандидат технических наук, доцент инженерного колледжа и соавтор статьи. «Сейчас у нас больше наночастиц, чем когда-либо, и с различным составом, формой и хорошо известными свойствами. Эти наночастицы подобны блокам Lego, и их необходимо разумным образом соединить, чтобы создать инновационную структуру с превосходными эксплуатационными характеристиками. Любое текущее устройство накопления энергии. Что делает эту задачу еще более увлекательной, так это тот факт, что в отличие от Legos, не всегда ясно, как различные наночастицы могут быть объединены для создания стабильных архитектур. И так как эти желательные наноразмерные архитектуры становятся все более и более продвинутыми, эта задача становится все более и более сложной.

Создание сложной архитектуры электродов с использованием наноматериалов требует инновационных производственных подходов, таких как осаждение распылением. 

Гогоци и его соавторы предполагают, что использование перспективных наноматериалов потребует обновления некоторых производственных процессов и продолжения исследований того, как обеспечить стабильность материалов при увеличении их размеров.

«Стоимость наноматериалов по сравнению с обычными материалами является серьезным препятствием, и необходимы недорогие и масштабные технологии производства», - сказал Гогоци. «Но это уже было сделано для углеродных нанотрубок с производством сотен тонн для нужд аккумуляторной промышленности в Китае. Предварительная обработка наноматериалов таким способом позволила бы использовать современное оборудование для производства аккумуляторов».

Они также отмечают, что использование наноматериалов устранит необходимость в определенных токсичных материалах, которые были ключевыми компонентами в батареях. Но они также предлагают установить экологические стандарты для будущего развития наноматериалов.

«Всякий раз, когда ученые рассматривают новые материалы для хранения энергии, они всегда должны учитывать токсичность для людей и окружающей среды, в том числе в случае случайного пожара, сжигания или попадания в отходы», - сказал Гогоци.

По мнению авторов, все это означает, что нанотехнологии делают накопление энергии достаточно универсальным, чтобы развиваться с изменением источников энергии, к которому призывают перспективные стратегии. опубликовано econet.ru по материалам techxplore.com

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet