Nanoteknologi sætter gang i energilagring på papir og klud

Ved at dyppe almindeligt papir eller stof i en speciel blæk tilsat nanopartikler, Stanford-ingeniør Yi Cui har fundet en måde at billigt og effektivt fremstille lette papirbatterier og superkondensatorer (som, som batterier, lagre energi, men ved elektrostatiske snarere end kemiske midler), samt strækbar, ledende tekstiler kendt som "eTextiles" - i stand til at lagre energi og samtidig bevare de mekaniske egenskaber af almindeligt papir eller stof.

Selvom teknologien stadig er ny, Cuis team har forestillet sig adskillige funktionelle anvendelser af deres opfindelser. Fremtidens hjem kunne en dag blive beklædt med energilagrende tapeter. Gadgetelskere ville være i stand til at oplade deres bærbare apparater på farten, blot at sætte dem i en stikkontakt, der er vævet ind i deres T-shirts. Energitekstiler kan også bruges til at skabe tøj til bevægelige displays, reaktivt højtydende sportstøj og bærbar kraft til en soldats kampudstyr.

Nøgleingredienserne i udviklingen af ​​disse højteknologiske produkter er ikke synlige for det menneskelige øje. Nanostrukturer, som kan samles i mønstre, der tillader dem at transportere elektricitet, kan give løsningerne på en række problemer, man støder på med elektriske lagerenheder, der i øjeblikket er tilgængelige på markedet.

Den type nanopartikel, der bruges i Cui-gruppens eksperimentelle enheder, varierer afhængigt af produktets tilsigtede funktion - lithium-coboltoxid er en almindelig forbindelse, der bruges til batterier, mens enkeltvæggede kulstof nanorør, eller SWNT'er, bruges til superkondensatorer.

Cui, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Stanford, leder en forskningsgruppe, der undersøger nye anvendelser af materialer i nanoskala. Målet, sagde Cui, er ikke kun at give svar på teoretiske henvendelser, men også at forfølge projekter med praktisk værdi. For nylig, hans team har fokuseret på måder at integrere nanoteknologi i energiudviklingsområdet.

"Energilagring er et ret gammelt forskningsfelt, " sagde Cui. "Superkondensatorer, batterier - de ting er gamle. Hvordan får du virkelig en revolutionerende indflydelse på dette felt? Det kræver en ganske dramatisk forskel i tankegangen."

Mens enheder til lagring af elektrisk energi er kommet langt siden Alessandro Volta debuterede med verdens første elektriske celle i 1800, teknologien står over for endnu en revolution. Nuværende metoder til fremstilling af energilagringsenheder kan være kapitalintensive og miljøfarlige, og slutprodukterne har mærkbare præstationsbegrænsninger - konventionelle lithium-ion-batterier har en begrænset lagerkapacitet og er dyre at fremstille, mens traditionelle kondensatorer giver høj effekt, men på bekostning af energilagringskapacitet.

Med lidt hjælp fra ny videnskab, fremtidens batterier ligner måske ikke de store metalenheder, vi er blevet vant til. Nanoteknologi foretrækkes som et middel både på grund af dens økonomiske appel og dens evne til at forbedre energiydelsen i enheder, der integrerer den. Udskiftning af kulstof (grafit) anoder fundet i lithium ion batterier med anoder af silicium nanotråde, for eksempel, har potentialet til at øge deres lagerkapacitet med 10 gange, ifølge eksperimenter udført af Cuis hold.

Silicium var tidligere blevet anerkendt som et gunstigt anodemateriale, fordi det kan indeholde en større mængde lithium end kulstof. Men anvendelser af silicium var begrænset af dets manglende evne til at opretholde fysisk stress - nemlig, den firedobbelte volumenforøgelse, som silicium gennemgår, når lithiumioner binder sig til en siliciumanode i færd med at oplade et batteri, samt det svind, der opstår, når lithium-ioner trækkes ud, når det udledes. Resultatet var, at siliciumstrukturer ville gå i opløsning, hvilket får anoder af dette materiale til at miste meget, hvis ikke hele deres lagerkapacitet.

Cui og samarbejdspartnere demonstrerede i tidligere publikationer i Nature, Nanoteknologi og Nano Letters, at brugen af ​​silicium nanowire batterielektroder, mekanisk i stand til at modstå absorption og udledning af lithiumioner, var en måde at omgå problemet.

Resultaterne lover udviklingen af ​​genopladelige lithium-batterier, der tilbyder en længere livscyklus og højere energikapacitet end deres samtidige. Silicium nanotrådsteknologi kan en dag finde hjem i elbiler, bærbare elektroniske enheder og implanterbare medicinske apparater.

Cui håber nu at rette sin forskning mod at studere både den "hårde videnskab" bag de elektriske egenskaber af nanomaterialer og designe virkelige applikationer.

"Dette er det rigtige tidspunkt til virkelig at se, hvad vi lærer af nanovidenskab og gøre praktiske anvendelser, der er ekstremt lovende, " sagde Cui. "Det skønne ved dette er, den kombinerer den billigste teknologi, du kan finde, med den højeste teknologiske nanoteknologi for at producere noget fantastisk. Jeg synes, det er en meget spændende idé … en enorm indvirkning på samfundet."