Đội phát triển phương pháp rẻ tiền, rẻ tiền để tạo ra các điện cực siêu tụ điện cho xe điện, laser công suất cao

Anonim

Siêu tụ điện là một loại thiết bị được đặt tên khéo léo có thể lưu trữ và cung cấp năng lượng nhanh hơn pin thông thường. Họ đang có nhu cầu cao đối với các ứng dụng bao gồm xe điện, viễn thông không dây và laser công suất cao.

Nhưng để nhận ra những ứng dụng này, siêu tụ điện cần điện cực tốt hơn, kết nối siêu tụ điện với các thiết bị phụ thuộc vào năng lượng của chúng. Những điện cực này cần phải được thực hiện nhanh hơn và rẻ hơn trên quy mô lớn và có thể sạc và xả tải điện nhanh hơn. Một nhóm các kỹ sư tại Đại học Washington nghĩ rằng họ đã đưa ra một quy trình sản xuất vật liệu điện cực siêu tụ điện sẽ đáp ứng các yêu cầu công nghiệp và sử dụng nghiêm ngặt này.

Các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi giáo sư vật lý và kỹ thuật vật liệu Peter Pauzauskie, đã xuất bản một bài báo vào ngày 17 tháng 7 trên tạp chí Nature Microsystems và Nanoengineering mô tả điện cực siêu tụ điện của họ và cách nhanh chóng, rẻ tiền mà họ đã tạo ra. Phương pháp mới của họ bắt đầu bằng các vật liệu giàu carbon đã được sấy khô thành một ma trận mật độ thấp gọi là aerogel. Chiếc airgel này có thể hoạt động như một điện cực thô, nhưng đội của Pauzauskie đã tăng gấp đôi điện dung của nó, đó là khả năng lưu trữ điện tích.

Những vật liệu khởi đầu rẻ tiền này, cùng với một quá trình tổng hợp sắp xếp hợp lý, giảm thiểu hai rào cản chung cho ứng dụng công nghiệp: chi phí và tốc độ.

"Trong các ứng dụng công nghiệp, thời gian là tiền bạc, " Pauzauskie nói. “Chúng tôi có thể tạo ra các vật liệu khởi đầu cho các điện cực này trong vài giờ, thay vì hàng tuần. Và điều đó có thể làm giảm đáng kể chi phí tổng hợp để tạo ra các điện cực siêu hiệu suất cao”.

Các điện cực supercapacitor hiệu quả được tổng hợp từ các vật liệu giàu carbon cũng có diện tích bề mặt cao. Yêu cầu thứ hai là rất quan trọng vì các siêu tụ độc đáo có thể lưu trữ điện tích. Trong khi pin thông thường lưu trữ điện tích qua các phản ứng hóa học xảy ra bên trong nó, thì siêu tụ điện thay vì lưu trữ và phân tách các chi phí dương và âm trực tiếp trên bề mặt của nó.

"Supercapacitors có thể hoạt động nhanh hơn nhiều so với pin bởi vì chúng không bị giới hạn bởi tốc độ phản ứng hoặc sản phẩm phụ có thể hình thành", tác giả đồng tác giả Matthew Lim, một sinh viên tiến sĩ thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, cho biết. "Supercapacitors có thể sạc và xả rất nhanh, đó là lý do tại sao họ đang rất lớn trong việc cung cấp các 'xung' quyền lực."

"Họ có các ứng dụng tuyệt vời trong các thiết lập mà pin của riêng mình quá chậm", tác giả chính của nghiên cứu, Matthew Crane, một sinh viên tiến sĩ thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học UW cho biết. "Trong những khoảnh khắc mà pin quá chậm để đáp ứng nhu cầu năng lượng, một siêu tụ điện với điện cực diện tích bề mặt cao có thể 'đá' một cách nhanh chóng và bù đắp cho tình trạng thiếu năng lượng."

Để có được diện tích bề mặt cao cho một điện cực hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã sử dụng aerogel. Đây là những chất ướt, giống như gel đã trải qua quá trình sấy và sưởi ấm đặc biệt để thay thế các thành phần chất lỏng của chúng bằng không khí hoặc khí khác. Những phương pháp này bảo tồn cấu trúc 3-D của gel, cho nó một diện tích bề mặt cao và mật độ cực thấp. Nó giống như loại bỏ tất cả nước ra khỏi Jell-O mà không co lại.

Pauzauskie cho biết: “Một gram khí chứa khoảng diện tích bề mặt như một sân bóng đá.

Cần cẩu làm aerogels từ một polymer giống như gel, một vật liệu với các đơn vị cấu trúc lặp đi lặp lại, được tạo ra từ formaldehyde và các phân tử carbon khác. Điều này đảm bảo rằng thiết bị của họ, giống như các điện cực siêu tụ điện ngày nay, sẽ bao gồm các vật liệu giàu carbon.

Trước đây, Lim đã chứng minh rằng việc thêm graphene - đó là một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử - để gel thấm nhuần kết quả của aerogel với các đặc tính siêu tụ điện. Tuy nhiên, Lim và Crane cần phải cải thiện hiệu suất của aerogel, và làm cho quá trình tổng hợp rẻ hơn và dễ dàng hơn.

Trong các thí nghiệm trước đây của Lim, việc thêm graphene đã không cải thiện được điện dung của aerogel. Vì vậy, họ thay vì nạp aerogel với tấm mỏng của hoặc disulfua molypden hoặc vonfram disulfua. Cả hai loại hóa chất này đều được sử dụng rộng rãi trong các loại dầu nhờn công nghiệp.

Các nhà nghiên cứu đã xử lý cả hai vật liệu với sóng âm tần số cao để tách chúng thành những tấm mỏng và kết hợp chúng vào trong ma trận gel giàu carbon. Họ có thể tổng hợp một gel ướt đầy trong ít hơn hai giờ, trong khi các phương pháp khác sẽ mất nhiều ngày.

Sau khi thu được máy sấy khô, mật độ thấp, chúng kết hợp với chất kết dính và một vật liệu giàu carbon khác để tạo ra một "bột" công nghiệp, mà Lim có thể đơn giản lăn ra thành tấm chỉ dày vài phần nghìn inch. Họ cắt đĩa nửa inch từ bột và lắp ráp chúng thành vỏ bọc pin đồng xu đơn giản để kiểm tra tính hiệu quả của vật liệu như một điện cực siêu tụ điện.

Không chỉ là các điện cực của chúng nhanh chóng, đơn giản và dễ dàng để tổng hợp, nhưng chúng cũng có khả năng mang điện dung ít nhất 127% so với các airgel giàu carbon.

Lim và Crane hy vọng rằng các aerogel được nạp với các lớp mỏng hơn của molypden disulfua hoặc vonfram disulfua - chúng có kích thước từ 10 đến 100 nguyên tử dày - sẽ cho thấy hiệu suất tốt hơn nữa. Nhưng trước tiên, họ muốn cho thấy rằng các aerogel được nạp sẽ nhanh hơn và rẻ hơn để tổng hợp, một bước cần thiết cho sản xuất công nghiệp. Việc tinh chỉnh tiếp theo.

Nhóm nghiên cứu tin rằng những nỗ lực này có thể giúp thúc đẩy khoa học ngay cả bên ngoài lĩnh vực điện cực siêu tụ điện. Chất disulfide molybdenum lơ lửng của họ có thể vẫn đủ ổn định để xúc tác cho sản xuất hydro. Và phương pháp của họ để bẫy vật liệu một cách nhanh chóng trong aerogel có thể được áp dụng cho pin điện dung cao hoặc xúc tác.

menu
menu