Store planer om at redde planeten afhænger af nanoskopiske materialer, der forbedrer energilagringen

Udfordringen med at opbygge en energifremtid, der bevarer og forbedrer planeten, er en massiv opgave. Men det hele afhænger af, at de ladede partikler bevæger sig gennem usynligt små materialer.

Forskere og politikere har erkendt behovet for et presserende og væsentligt skift i verdens mekanismer for energiproduktion og -forbrug for at standse dens momentum mod miljøkatastrofer. En kurskorrektion af denne størrelsesorden er bestemt skræmmende, men en ny rapport i journalen Videnskab foreslår, at den teknologiske vej til bæredygtighed allerede er banet, det er bare et spørgsmål om at vælge at følge den.

Rapporten, skrevet af et internationalt team af forskere, redegør for, hvordan forskning inden for nanomaterialer til energilagring gennem de sidste to årtier har muliggjort det store skridt, der vil være nødvendigt for at gøre brug af bæredygtige energikilder.

"De fleste af de største problemer, som presset på bæredygtighed står over for, kan alle være bundet tilbage til behovet for bedre energilagring, " sagde Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University og Bach professor ved Drexel University's College of Engineering og hovedforfatter af papiret. "Uanset om det er en bredere brug af vedvarende energikilder, stabilisering af elnettet, håndtering af energikravene fra vores allestedsnærværende smarte og forbundne teknologi eller omstilling af vores transport til elektricitet – spørgsmålet, vi står over for, er, hvordan vi kan forbedre teknologien til lagring og udbetaling af energi. Efter årtiers forskning og udvikling, svaret på det spørgsmål kan gives af nanomaterialer."

Forfatterne præsenterer en omfattende analyse af tilstanden af ​​energilagringsforskning, der involverer nanomaterialer, og foreslår den retning, forskning og udvikling skal tage for at teknologien kan opnå mainstream levedygtighed.

The Jam

Næsten alle planer for energibæredygtighed – fra Green New Deal til Paris-aftalen, til de forskellige regionale kulstofemissionspolitikker - hævde behovet for at regere i energiforbruget, samtidig med at der tages fat på nye vedvarende kilder, som sol- og vindkraft. Flaskehalsen for begge disse bestræbelser er behovet for bedre energilagringsteknologi.

Problemet med at integrere vedvarende ressourcer i vores energinet er, at det er svært at styre energiudbud og -efterspørgsel på grund af...naturens uforudsigelige natur. Så, massive energilagringsenheder er nødvendige for at rumme al den energi, der genereres, når solen skinner, og vinden blæser, og derefter være i stand til at udbetale den hurtigt i perioder med høj energiforbrug.

"Jo bedre vi bliver til at høste og lagre energi, jo mere vil vi være i stand til at bruge vedvarende energikilder, der er intermitterende i naturen, " sagde Gogotsi. "Batterier er som landmandens silo - hvis det ikke er stort nok og konstrueret på en måde, der vil bevare afgrøderne, så kan det være svært at komme igennem en lang vinter. I energibranchen lige nu, du kan sige, at vi stadig forsøger at bygge den rigtige silo til vores høst – og det er her, nanomaterialer kan hjælpe."

Rettelsen

At stoppe energiopbevaringslogjam har været et fælles mål for videnskabsmænd, der anvender ingeniørprincipper til at skabe og manipulere materialer på atomniveau. Alene deres indsats i det sidste årti, som blev fremhævet i rapporten, har allerede forbedret batterierne, der driver smartphones, bærbare computere og elbiler.

"Mange af vores største resultater inden for energilagring i de senere år er takket være integrationen af ​​nanomaterialer, " sagde Gogotsi. "Lithium-ion-batterier bruger allerede kulstofnanorør som ledende additiver i batterielektroder for at få dem til at oplade hurtigere og holde længere. Og et stigende antal batterier bruger nano-siliciumpartikler i deres anoder til at øge mængden af ​​lagret energi.

Introduktion af nanomaterialer er en gradvis proces, og vi vil se flere og flere materialer i nanoskala inde i batterierne i fremtiden."

Batteri design, i lang tid, har primært været baseret på at finde gradvist bedre energimaterialer og kombinere dem til at lagre flere elektroner. Men, for nylig, den teknologiske udvikling har gjort det muligt for forskere at designe materialerne i energilagringsenheder for bedre at kunne betjene disse transmissions- og lagringsfunktioner.

denne proces, kaldet nanostrukturering, introducerer partikler, rør, flager og stakke af materialer i nanoskala som de nye komponenter i batterier, kondensatorer og superkondensatorer. Deres form og atomstruktur kan fremskynde strømmen af ​​elektroner - hjerteslag af elektrisk energi. Og deres rigelige overflade giver flere hvilesteder for de ladede partikler.

Effektiviteten af ​​nanomaterialer har endda givet videnskabsfolk mulighed for selv at genoverveje det grundlæggende design af batterier. Med metallisk ledende nanostrukturerede materialer, der sikrer, at elektroner frit kan flyde under opladning og afladning, batterier kan tabe en god smule vægt og størrelse ved at eliminere metalfoliestrømsamlere, der er nødvendige i konventionelle batterier. Som resultat, deres form er ikke længere en begrænsende faktor for de enheder, de driver.

Batterierne bliver mindre, oplader hurtigere, varer længere og slides langsomt - men de kan også være massive, oplade gradvist, gemme enorme mængder energi i lange perioder og distribuere den efter behov.

"Det er en meget spændende tid at arbejde inden for nanoskala energilagringsmaterialer, " sagde Ekaterina Pomerantseva, Ph.D., en lektor i College of Engineering og medforfatter til papiret. "Vi har nu flere tilgængelige nanopartikler end nogensinde - og med forskellige sammensætninger, former og velkendte egenskaber. Disse nanopartikler er ligesom legoklodser, og de skal sættes sammen på en smart måde for at producere en innovativ struktur med en ydeevne, der er bedre end enhver nuværende energilagringsenhed. Hvad der gør denne opgave endnu mere fængslende er det faktum, at i modsætning til Legos, det er ikke altid klart, hvordan forskellige nanopartikler kan kombineres for at skabe stabile arkitekturer. Og efterhånden som disse ønskede nanoskalaarkitekturer bliver mere og mere avancerede, denne opgave bliver mere og mere udfordrende, udløser videnskabsmænds kritiske tænkning og kreativitet."

Fremtiden

Gogotsi og hans medforfattere foreslår, at udnyttelse af løftet om nanomaterialer vil kræve nogle fremstillingsprocesser, der skal opdateres og fortsat forskning i, hvordan man sikrer materialernes stabilitet, når deres størrelse skaleres op.

"Omkostningerne ved nanomaterialer sammenlignet med konventionelle materialer er en stor hindring, og billige og store produktionsteknikker er nødvendige, "Gogotsi sagde." Men dette er allerede opnået for carbon nanorør med hundredvis af tons fremstilling til behov inden for batteriindustrien i Kina. Forbehandling af nanomaterialerne på denne måde ville tillade brugen af ​​det nuværende batteriproduktionsudstyr."

De bemærker også, at brugen af ​​nanomaterialer ville eliminere behovet for visse giftige materialer, der har været nøglekomponenter i batterier. Men de foreslår også at etablere miljøstandarder for fremtidig udvikling af nanomaterialer.

"Når forskere overvejer nye materialer til energilagring, de bør altid tage hensyn til toksicitet for mennesker og miljø, også i tilfælde af utilsigtet brand, forbrænding eller dumpning i affald, " sagde Gogotsi.

Hvad alt dette betyder, ifølge forfatterne, er, at nanoteknologi gør energilagring alsidig nok til at udvikle sig med det skift i energiforsyning, som fremadrettede politikker kræver.