Kumaş malzemelerden yapılmış yeni elektrotlar: daha hafif, daha güvenli ve daha dayanıklı!
Kılavuz
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Drexel Üniversitesi'ndeki bir grup araştırmacı, piller ve süper kapasitörler gibi enerji depolama cihazlarını daha hızlı ve daha az sızıntı veya felaketle çarpma olasılığını azaltmak için kullanılabilen, kumaş malzemeye benzer bir elektrot tasarladı.
Anahtar kelime
Süper kapasitörler, piller, elektrostatik eğirme
arka fon
Akülerdeki ve süper kapasitörlerdeki elektrolit aşındırıcı, zehirli ve neredeyse her zaman yanıcıdır. Mobil teknolojinin gelişmesiyle birlikte, enerji depolama cihazlarının tasarım süreci, kısa devrelere eğilimli olan malzeme küçülmesiyle sınırlıdır. En son durum, yanıcı elektrolitlerle karıştırıldığında patlayan Samsung'un Galaxy Note'udur.
(Resim internetten geliyor)
Yazar, lityum pillerin güvenliğini sağlamak için birkaç yenilikçi araştırma geliştirmesi yaptı. Birincisi, ABD'deki Stanford Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından yapılan yeni bir tür "akıllı" elektrostatik eğirme ayırıcıdır. Isı tetikleme mekanizmasına sahiptir ve lityum iyon pillerin yanmasını önlemek için kullanılabilecek alev geciktiriciler içerir.
(Resim kaynağı: Liu ve diğerleri / Stanford Üniversitesi)
İkincisi, yazar ayrıca Austin'deki Texas Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nden profesör John Goodenough liderliğindeki bir mühendis ekibi tarafından geliştirilen tamamen katı hal lityum pili ve ETH Zürih'teki araştırmacılar tarafından geliştirilen tamamen katı malzemelerden oluşan bir lityum iyon pili tanıttı. İyon batarya.
(Fotoğraf kredisi: Fabio Bergamin / ETH Zurich)
Yenilikçilik
Bugün, enerji depolama ekipmanlarının güvenliği ile ilgili yenilikçi bir çözüm sunmak istiyorum. Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Drexel Üniversitesi'nden bir grup araştırmacı, piller ve süperkapasitörler gibi enerji depolama cihazlarını daha hızlı ve daha az sızıntı veya felaketle çarpma olasılığı daha düşük hale getirmek için kullanılabilen, kumaş malzemeye benzer bir elektrot tasarladı. Tasarladıkları yeni süper kapasitör, tüylü bir süngere enjekte edilen jelatin gibidir ve enerji depolama cihazlarında yaygın olarak kullanılan bileşenlerin yanıcı elektrolitine benzersiz bir alternatif sağlar.
(Resim kaynağı: referans [2])
Drexel Üniversitesi Mühendislik Fakültesi'nde profesör olan Dr. Vibha Kalra ve ekibi, sıvı içermeyen bir cihaz oluşturmak için serbest duran gözenekli karbon nanofiber mat üzerinde emilen iyonca zengin kalın bir jel elektrolit kullandı. Araştırma ekibi arasında Kalra'nın doktora asistanı Sila Simotwo, Tapınak araştırmacısı Dr. Stephanie L. Wunder ve Dr. Parameswara Chinnam yer alıyor. Yakın zamanda, American Chemical Society dergisi Applied Materials and Interfaces'ta "solventsiz katı süper kapasitörler" in yeni tasarımı hakkında bir makale yayınladılar.
teknoloji
Süper kapasitörler, başka bir enerji depolama cihazı türüdür. Enerjiyi elektrostatik olarak depolayıp bırakabilmesi açısından bir bataryaya benzer. Ancak mobil cihazlar, tablet bilgisayarlar ve elektrikli araçlar gibi teknik çözümlerde, depolanan enerjiyi hızlı bir sprintte serbest bırakabildiği için yedek güç kaynağı olarak kullanılma eğilimindedir. Pillerin aksine, enerjiyi serbest bırakmak için pillerin uzun süre kullanılması gerekir. Ancak pillere benzer şekilde, süper kapasitörler de sızıntıya ve yangına eğilimli yanıcı elektrolit çözeltileri kullanır.
Araştırma ekibi tarafından geliştirilen süper kapasitör sadece Solvent içermez (Yanıcı sıvılar içermediği anlamına gelir) ve bu kompakt tasarım daha dayanıklıdır ve enerji depolama kapasitesi ve pil şarj ve deşarj döngüsü şu anda kullanılan benzer cihazlardan daha iyidir. Ayrıca 300 santigrat derece yüksek sıcaklık koşullarında da çalışabilir, bu nedenle mobil cihazları daha dayanıklı hale getirir ve kötüye kullanım nedeniyle yangın tehlikesi olma olasılığını azaltır.
(Resim kaynağı: Drexel Üniversitesi)
Kalra diyor:
"Endüstriyel kaynaklı elektrot kalınlığına ve yüküne ulaşmak için, katı elektrolit öncülerinin enjeksiyonunu kolaylaştıran iyi tanımlanmış üç boyutlu açık gözenekli bir yapıya sahip, nanoliflerden oluşan, giysi benzeri bir elektrot tasarladık. Açık gözenekli elektrot, içermez İzolatör olarak kullanılan ve performansı düşüren bir yapıştırıcı. "
Bu dayanıklı cihazı üretmenin anahtarı, fiber benzeri elektrot çerçevesi . Ekip, bunu üretmek için "elektrospinning" (elektrospinning) adı verilen bir işlem kullanıyor. Proses, bir fiber mat formunda bir karbon öncü polimer solüsyonu biriktirir ve bunu dönen bir manyetik alan boyunca sıkıştırır Bu proses, mikroskobik seviyede şekerleme gibi görünür.
Daha sonra iyonojel, karbon fiber matın içine emilerek eksiksiz bir elektrot elektrolit ağı oluşturur. Mükemmel performans özellikleri, elektrotları ve elektroliti bu benzersiz bağlama yöntemiyle de bağlantılıdır. Bunun nedeni, daha geniş bir yüzey alanında birbirlerine dokunmalarıdır.
Enerji depolama cihazını bir kase mısır gevreği olarak düşünürseniz ve enerji depolamanın gerçekleştiği yer kabaca mısır gevreğinin süte değdiği yerse, bilim adamları buna "elektrik çift katman" diyorlar, bu da elektriği depolayan iletken elektrotun elektrik yüküne dokunduğu zamandır. Elektrolitin yeri. İdeal olarak, mısır gevreği lapası kasenizde süt, tüm mısır gevreklerinden geçecek ve her bir mısır gevreğini ne çok gevrek ne de çok yumuşak olacak şekilde kaplayacaktır. Ancak bazen mısır gevreği birikir ve süt (elektrolit metaforu olarak kullanılır) mısır gevreğinden geçemez, bu nedenle üst mısır gevreği kuru ve alttaki mısır gevreği sütle ıslatılır. Bu iyi bir mısır gevreği kâsesi değildir, yani elektrokimyasal eşdeğeri (elektrotlardaki elektronlar aktivasyon noktasına giderken bloke edilir) enerji cihazları için ideal değildir.
Kalra'nın katı süper kapasitörleri, doğranmış buğdayı mısır gevreği yerine bir kaseye koymak gibidir. . Bu geliştirme yapısı, tıpkı iyonojelin Kalra'nın katı süperkapasitörlerindeki karbon fiber keçeye nüfuz etmesi gibi sütün tahıla nüfuz etmesine ve kaplamasına izin verir. Karbon fiber mat, iyonojelin iyon erişim elektrodu için daha geniş bir yüzey alanı sağlar, kapasiteyi artırır ve enerji depolama cihazının performansını iyileştirir. Ayrıca, fiziksel elektrotları oluşturmanın gerekli bir parçası olan, ancak enerji depolama sürecinde rol oynamayan, ancak cihazın toplam hacmine çok katkıda bulunan birçok iskele malzemesine olan ihtiyacı da ortadan kaldırır.
değer
Kalra şunları söyledi:
" Bu cihazlarda yangına eğilimli bileşenleri tamamen ortadan kaldırdık . Ve bunu yapmak için, enerji depolama cihazlarını daha hafif ve daha iyi hale getirebilecek bir elektrot da tasarladık. "
"Gelişmiş elektrotlar, bir bulamaç yapmak için bir bağlayıcıyla karıştırılan ve ardından cihaza konan ultra ince tozlardan oluşur. Bu bağlayıcılar, iletken malzemeler olmadıkları için cihazın toplam miktarını arttırır ve aslında engellerler. Geliştirilmiş performans. Elektrotlarımız bağımsızdır, bu da bağlayıcı ihtiyacını ortadan kaldırır ve işlenmesi elektrot üretim maliyetlerinin% 20'sini oluşturur. "
(Resim kaynağı: Drexel Üniversitesi)
Kalra araştırma grubunun bir sonraki adımı, bu teknolojiyi katı hal pillerin üretimine uygulamak ve akıllı kumaşların uygulamalarını keşfetmektir.
Referans
[1]
[2] Silas K. Simotwo, Parameswara Rao Chinnam, Stephanie L. Wunder, Vibha Kalra. İyonik Sıvı Zengin İyonojel ve Gözenekli Karbon Nanofiber Elektrotlara Dayalı Son Derece Dayanıklı, Kendinden Daimi Katı Hal Süper Kapasitör ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2017; DOI: 10.1021 / acsami.7b07479
Daha ileri teknolojiler ve yenilikçi ürünler için lütfen WeChat herkese açık hesabını takip edin: IntelligentThings veya yazarın kişisel WeChat ile iletişime geçin: JohnZh1984
