Frigør enheder fra deres strømkabler:Nye strukturelle superkapsler tager et lickin, blive ved med at arbejde

(Phys.org) - Forestil dig en fremtid, hvor vores elektriske gadgets ikke længere er begrænset af stik og eksterne strømkilder. Denne spændende udsigt er en af ​​årsagerne til den nuværende interesse i at opbygge kapaciteten til at lagre elektrisk energi direkte i en lang række produkter, såsom en bærbar computer, hvis kabinet fungerer som batteri, eller en elbil drevet af energi lagret i chassiset, eller et hjem, hvor den tørre væg og sidespor opbevarer den elektricitet, der driver lys og apparater.

Det gør også de små, kedelige grå vafler, som kandidatstuderende Andrew Westover og adjunkt i maskinteknik Cary Pint har lavet i Vanderbilt's Nanomaterials and Energy Devices Laboratory langt vigtigere end deres ubeskrivelige udseende antyder.

"Disse enheder demonstrerer - for første gang så vidt vi kan fortælle - at det er muligt at skabe materialer, der kan lagre og aflade betydelige mængder elektricitet, mens de udsættes for realistiske statiske belastninger og dynamiske kræfter, såsom vibrationer eller stød, "sagde Pint." Andrew har formået at gøre vores drøm om strukturelle energilagringsmaterialer til virkelighed. "

Det er vigtigt, fordi strukturel energilagring vil ændre måden, hvorpå en lang række teknologier udvikles i fremtiden.

"Når du kan integrere energi i de komponenter, der bruges til at bygge systemer, det åbner døren til en helt ny verden af ​​teknologiske muligheder. Lige pludselig, evnen til at designe teknologier på grundlag af sundhed, underholdning, rejse og social kommunikation vil ikke være begrænset af stik og eksterne strømkilder, "Sagde Pint.

Den nye enhed, som Pint og Westover har udviklet, er en superkapacitor, der lagrer elektricitet ved at samle elektrisk ladede ioner på overfladen af ​​et porøst materiale, i stedet for at gemme det i kemiske reaktioner, som batterier gør. Som resultat, superkapper kan oplade og aflade på få minutter, i stedet for timer, og operere i millioner af cyklusser, i stedet for tusinder af cyklusser som batterier.

I et papir, der blev vist online den 19. maj i tidsskriftet Nano bogstaver , Pint og Westover rapporterer, at deres nye strukturelle superkapacitor fungerer fejlfrit ved lagring og frigivelse af elektrisk ladning, mens den udsættes for belastninger eller tryk op til 44 psi og vibrationsacceleration over 80 g (betydeligt større end dem, der virker på turbineblade i en jetmotor).

Desuden, enhedens mekaniske robusthed går ikke på kompromis med dets energilagringskapacitet. "I en uemballeret strukturelt integreret tilstand vores superkapacitor kan lagre mere energi og operere ved højere spændinger end en pakket, kommerciel superkondensator på hylden, selv under intense dynamiske og statiske kræfter, "Sagde Pint.

Et område, hvor superkapacitorer halter bag batterier, er i kapacitet til lagring af elektrisk energi:Superkapsler skal være større og tungere for at lagre den samme mængde energi som lithium-ion-batterier. Imidlertid, forskellen er ikke så vigtig, når man overvejer multifunktionelle energilagringssystemer.

"Metoder for batteriydelse ændres, når du lægger energilagring i tunge materialer, der allerede er nødvendige for strukturel integritet, "sagde Pint." Superkapacitorer gemmer ti gange mindre energi end nuværende lithium-ion-batterier, men de kan holde tusind gange længere. Det betyder, at de er bedre egnet til strukturelle applikationer. Det giver ikke mening at udvikle materialer til at bygge et hjem, bil chassis, eller rumfartøjskøretøj, hvis du skal udskifte dem hvert par år, fordi de går døde. "

Westovers skiver består af elektroder fremstillet af silicium, der er blevet kemisk behandlet, så de har porer i nanoskala på deres indre overflader og derefter belagt med et beskyttende ultratyndt grafenlignende lag af kulstof. Mellem de to elektroder ligger en polymerfilm, der fungerer som et reservoir for ladede ioner, ligner rollen som elektrolytpasta i et batteri. Når elektroderne presses sammen, polymeren oser ind i de små porer på omtrent samme måde, som smeltet ost trænger ind i krogene på håndværkerbrød i en Panini. Når polymeren afkøles og størkner, det danner en ekstremt stærk mekanisk binding.

"Det største problem med at designe bærende superkapsler er at forhindre dem i at delaminere, "sagde Westover." Kombination af nanoporøst materiale med polymerelektrolytten binder lagene tættere sammen end superlim. "

Anvendelsen af ​​silicium i strukturelle superkapacitorer er bedst egnet til forbrugerelektronik og solceller, men Pint og Westover er overbeviste om, at de regler, der styrer deres designs bærende karakter, vil overføre til andre materialer, såsom carbon nanorør og lette porøse metaller som aluminium.

Intensiteten af ​​interessen for "multifunktionelle" enheder af denne slags afspejles i, at U.S. Department of Energy's Advanced Research Project Agency for Energy investerer $ 8,7 millioner i forskningsprojekter, der fokuserer specifikt på at integrere energilagring i strukturelle materialer. Der har også for nylig været pressemeddelelser om flere større bestræbelser på at udvikle multifunktionelle materialer eller strukturelle batterier til brug i elektriske køretøjer og til militære applikationer. Imidlertid, Pint påpegede, at der ikke har været nogen rapporter i den tekniske litteratur om test udført på materialer til lagring af strukturelle energier, der viser, hvordan de fungerer under realistiske mekaniske belastninger.