Ein Durchbruch bei der Energiespeicherung oder ein anderer Fall, in dem ein Wissenschaftler einen Journalisten „missbraucht“ hat?
Lesen Sie die jüngsten Nachrichten über den nächsten beispiellosen Durchbruch bei der Entwicklung von Energiespeichern (Laden des Akkus eines Smartphones in Sekundenschnelle, 30.000 Lade- / Entladezyklen ohne Kapazitätsverlust, und vor allem ist die Kapazität zehnmal höher als die der vorhandenen Proben von Laufwerken dieses Typs, d. H. Superkondensatoren und zumindest nicht schlechter als Lithiumbatterien), natürlich glaubte ich es nicht und ging, um die Quelle zu lesen, d.h. Hochleistungs-Einkörper-Kern / Schale-Nanodraht-Superkondensator durch konformes Wachstum kapazitiver 2D-WS2-Schichten wissenschaftlicher Artikel in ACS Nano veröffentlicht.Nachdem ich durch ihre Augen gelaufen war und sichergestellt hatte, dass die Skepsis gerechtfertigt und richtig war, beschloss ich zunächst, ein paar Kommentare unter den Artikel und das Bild zu setzen, die für GT bereits zur Pflicht geworden waren, und mich darauf zu beschränken:Nachdem ich den vollständigen Artikel gelesen hatte, entschied ich, dass er trotz der Fairness des Comics auf KDPV immer noch Beachtung verdient. Es gibt immer noch einen Durchbruch, der sehr vielversprechend ist. Und was mehr (Durchbrüche oder "Wissenschaftler haben Krebs geheilt"), schlage ich vor, dass die Leser ihn unabhängig bewerten, nachdem sie sich mit den wirklichen Parametern der Erfindung unter einer Katze vertraut gemacht haben. Gleichzeitig gibt es eine Antwort auf einige Fragen der Leser, insbesondere, wie diese „Nanotechnologien“ für die industrielle Implementierung (Produktion) geeignet sind, oder dies bleibt nichts weiter als ein interessantes Laborexperiment.Gutes Nachrichtenteam
Wie ist dieser neue Energiespeicher? Tatsächlich ist es nicht neu, es gehört zur Klasse der Superkondensatoren ( Ionistoren ), die seit langem bekannt sind und in der Praxis weit verbreitet sind . Den Wissenschaftlern gelang es jedoch, ihre Parameter deutlich zu verbessern.Eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung von Ionistoren besteht darin, dass zwei miteinander in Konflikt stehende Probleme gleichzeitig gelöst werden müssen:- Erhöhen Sie die aktive Fläche der Elektroden und ihre Ionenleitfähigkeit, um die spezifische Kapazität zu erhöhen
- Erhöhen Sie die elektronische Leitfähigkeit der Elektroden, um die spezifische Leistung zu erhöhen und Energieverluste beim schnellen Laden / Entladen des Frequenzumrichters zu reduzieren
In bereits existierenden klassischen Technologien führte der Aufbau eines Parameters zu einer signifikanten Verschlechterung des anderen. In den letzten Jahren gab es Entwicklungen unter Verwendung von Nanotechnologien, die beide Anforderungen recht gut kombinierten, aber sie standen vor einem anderen Problem - dem raschen Abbau gebildeter Nanostrukturen während des Betriebs und dem raschen Kapazitätsverlust. Einige Proben waren in dieser Hinsicht sogar gewöhnlichen chemischen Batterien unterlegen (sie hielten nur einigen hundert Zyklen stand).Es ist möglich, einen Durchbruch in dieser Arbeit zu nennen, bei dem es Wissenschaftlern gelungen ist , in den Weihnachtsbaum zu gelangen und gleichzeitig hohe Indikatoren in drei Parametern zu erreichen: spezifische Kapazität, spezifische Leistung und Ressource.Wie wurde dies erreicht? Grundlage für alles ist eine Übergangsmetallfolie (in diesem Fall wurde Wolfram verwendet), die im zweiten Parameter eine hohe Leistung liefert (hohe elektronische Leitfähigkeit der Elektroden und damit hohe spezifische Leistung und geringe Verluste beim Laden / Entladen).Ferner wird auf der Oberfläche dieser Folie ein dichter "Wald" aus Nanodrähten (Stiften) aus Metalloxid gebildet, die mit einem Chalkogenid desselben Metalls beschichtet sind (in diesem Fall wurde Wolframsulfid - WS 2 verwendet ). Schematisch sieht es so aus:Braun auf dem Diagramm zeigt reines Metall an, ein hellerer Farbton zeigt sein Oxid an und Blau zeigt Chalkogenid an. Die Folie unten ist bedingt dargestellt - tatsächlich ist ihre Dicke viel größer (vergleichbar oder sogar größer als die Höhe der „Stifte“).Darüber hinaus handelt es sich um echte Nanotechnologien ohne Anführungszeichen. Diese Stifte (oder wie die Wissenschaftler sie selbst nannten - Nanodrähte) sehen also unter einem Elektronenmikroskop aus:Oben ist eine allgemeine Ansicht der Oberfläche mit einem darauf angebauten „Wald“ von Nanodrähten zu sehen. (a) ist eine Seitenansicht einer separaten "Verdrahtung", (b) und (c) ist eine Oberflächenansicht (vergrößertes Fragment in einem roten Rechteck), auf der ein auf Metalloxid gebildeter Hackolidfilm deutlich sichtbar ist, (d) ist ein Querschnitt einer einzelnen Verdrahtung, ( f) und (e) sind vergrößerte Fragmente, die durch Blau und Grün gekennzeichnet sind.Eine solche Nanostruktur ermöglicht es uns, im ersten Parameter eine gute Leistung zu erzielen: einen großen Bereich der aktiven Oberfläche der Elektroden, die mit dem Elektrolyten in Kontakt kommen, und daher eine hohe spezifische Kapazität nach den Standards von Superkondensatoren.Eine hohe Stabilität wird durch das Herstellungsverfahren erreicht - diese Nanodrähte werden nicht auf die Oberfläche gesprüht, sondern buchstäblich daraus gewachsen und bilden damit eine Einkristallstruktur, die ihnen während des Betriebs eine hohe Festigkeit / Stabilität verleiht. In der folgenden Grafik (e) sind die Testergebnisse der erhaltenen Proben aufgeführt:Selbst nach 30.000 Zyklen, Laden + Entladen mit hoher Leistung (ca. 8 Sekunden zum Laden und 16 Sekunden zum vollständigen Zyklus) bleibt die Kapazität über dem Original. Und in den ersten paar tausend Zyklen wächst es sogar aufgrund der Oberflächenaktivierung (Wachstum des aktiven Bereichs der Elektroden). Das Maximum beträgt etwa 125% der Nennkapazität bei Arbeiten mit hohen Strömen (Ladung für ~ 8 Sekunden), mehr als 150% der Nennkapazität bei Arbeit mit niedrigen Strömen (Ladung für ~ 160 Sekunden) und wird nach 2500 Arbeitszyklen erreicht.Diese "Ausdauer" ist allen Proben von "Metall" -Ionistoren (die eine vergleichbare spezifische Leistung aufweisen) weit überlegen und liegt auf dem Niveau des besten klassischen Kohlenstoffs (der in der spezifischen Leistung und Kapazität unterlegen ist).Können wir angesichts all dessen sagen, dass der ideale Energiespeicher, auf den alle warten, endlich erfunden ist?Physik, herzloses du ...
Leider gibt es keine. Wie alle Ionistoren hat dieser Energiespeicher einen sehr großen Nachteil - eine kleine spezifische Kapazität. In Bezug auf die Kapazität wird ein Wunder nicht passieren, wenn grundlegende physische Einschränkungen dies zulassen. Dies ist alles der gleiche Ionistor, der Energie unter Verwendung einer doppelten elektrischen Schicht und mit entsprechenden Einschränkungen speichert .Insbesondere haben die resultierenden Elemente einen sehr geringen Bereich von Betriebsspannungen: nur von 0 bis 0,8 Volt, was sogar niedriger ist als die typischen Werte für Ionistoren, die mit anderen Technologien hergestellt wurden. Wie Sie wissen, hängt die von Kondensatoren gespeicherte Energie vom Quadrat der maximalen Spannung ab.Die elektrische Kapazität (in Farad) ist zwar deutlich (mehrmals) höher als bei den meisten Analoga, jedoch nicht um Größenordnungen erforderlich, um die im Vergleich zu anderen Ionistoren niedrigere Betriebsspannung auszugleichen, und holt dann auch chemische Batterien ein, aus denen typische Ionisatoren stammen Die spezifischen Kapazitäten bleiben Dutzende Male zurück. Die folgende Grafik zeigt den Bereich der Betriebsspannungen und die Abhängigkeit der spezifischen Kapazität (MeileFarad pro 1 cm 2 Elektrodenfläche) von der Lade- / Entladegeschwindigkeit :
Mit solchen Parametern müssen Sie nur mindestens die langen und im Handel erhältlichen Lithiumbatterien haben, die bereits zum Standard geworden sind Gigantischer Elektrodenbereich und verpacken sie sehr kompakt.Zum Vergleich können Sie eine Lithiumbatterie der Standardgröße 18650 (einen Zylinder mit einem Durchmesser von 18 mm, einer Länge von 65 mm und einem Gewicht von nicht mehr als 50 Gramm) verwenden. Die typische erreichte Kapazität solcher Elemente beträgt jetzt etwa 3 A * h bei einer durchschnittlichen Betriebsspannung von 3,7 V, was etwa 40 000 J gespeicherte Energie pro Element ergibt: 3 * 3600 * 3,7 = 39 960 J. EinSuperkondensator mit einer Betriebsspannung von 0,8 V zur Speicherung Die gleiche Energie benötigt eine Kapazität von 40.000 / 0,8 2 * 2 = 125.000 Farad.Für eine solche Kapazität wird die Fläche jeder Elektrode in 125000 / 0,05 = 2 500 000 cm 2 = 250 m 2 benötigt .Wenn Sie versuchen, all diesen Elektrodenbereich in ein ähnlich kleines Volumen von 18650 Zellen einzupassen, erhalten Sie für jede der beiden Elektroden ein mehr als 4000 Meter langes Klebeband und einen Trenner zwischen ihnen gleicher Länge. Diese Packungsdichte ist in der Praxis nicht annähernd erreichbar. Darüber hinaus ist es selbst theoretisch nicht erreichbar (wenn wir die Dicke der Basis, auf der der "Wald" wächst, gleich Null und gleich Null nehmen, erzeugt der Abstand zwischen den Elektroden immer noch ein viel größeres Volumen als die Batterie).Tatsächlich verstehen die Wissenschaftler, die die Studie durchgeführt haben, dies sehr gut. Sie schätzten die spezifische Kapazität von Kondensatoren bei Verwendung ähnlicher Elektroden auf einem Niveau von etwa 0,06 W * h / cm 3 oder 216 J / cm 3. Dies ist die optimistischste Schätzung (Grenze), die in der Praxis nicht erreichbar ist, weil nur das Volumen der Elektroden selbst wird ohne alles andere (Abscheider, Elektrolyt, Gehäuse) berücksichtigt. In der Praxis wird eine Kapazitätserreichung, die 1,5 bis 2 Mal unter dieser Grenze liegt, als gute Leistung angesehen.Nach den Standards von Superkondensatoren sind dies einfach großartige Parameter, die insgesamt (Kapazität / Leistung) alle Analoga übertreffen. In der folgenden Grafik ist ein Vergleich mit allen bereits in der Praxis verwendeten und als vielversprechend angesehenen alternativen Technologien für die Herstellung von Kondensatoren dargestellt (die diskutierte Option besteht aus einer Reihe schwarzer Punkte):
X-Achse - spezifische Leistung, Watt / cm 3, Y-Achse - spezifische Kapazität, Watt * Stunde / cm 3Gleichzeitig ist darauf zu achten, dass beide Skalen logarithmisch sind, eine große Teilung = eine Erhöhung des Parameters um den Faktor 10.Im Vergleich zu chemischen Batterien ist die Kapazität jedoch immer noch sehr gering. Wenn wir uns an dieselbe serielle 18650-Zelle erinnern, die auf Lithium basiert, dann beträgt ihre spezifische Kapazität bei einem physikalischen Volumen von weniger als 17 cm 3 und einer gespeicherten Energie von ungefähr 40.000 J ungefähr 2350 J / cm 3. Das heißt, mindestens 10-mal höher als die maximale (theoretische) Kapazität dieser Entwicklung. Und 15 bis 20 Mal höher als erwartet, wenn die Produktion beginnt. Nach Masse (J / kg) wird der Rückstand von Lithiumbatterien noch höher sein. Die Wissenschaftler haben in ihrer Arbeit keine Daten zur massenspezifischen Kapazität geliefert, aber es ist klar, dass solche Elemente schwer sein werden: Das fertige Element auf Makroebene wird die am dichtesten gefaltete Rolle aus mit Elektrolyt imprägnierter Wolframfolie sein.Im Allgemeinen können Sie Akkus für Smartphones, Tablets und andere elektronische Geräte, die innerhalb von Sekunden aufgeladen werden, sofort vergessen. Sowie über Batterien für Elektrofahrzeuge mit Aufladung in Minuten und einer riesigen Ressource. Dies sind alles reine Erfindungen von Journalisten, die nicht mit der Realität zusammenhängen (siehe KDPV). Für solche Anwendungen ist die Kapazität unangemessen klein.In einer Reihe von Segmenten können solche Laufwerke unter Berücksichtigung ihrer Eigenschaften (hohe spezifische Leistung und eine sehr große Ressource mit nicht der schlechtesten Kapazität) sehr vielversprechend sein.Zum Beispiel:- Pufferantrieb bei Elektrofahrzeugen (Hybriden oder Elektroautos mit einer geringen Kapazität der Hauptbatterie, andere Elektrofahrzeuge wie Elektrofahrräder) zum regenerativen Bremsen und / oder zum kurzzeitigen "Nachbrennen", d.h. Schutz der Hauptbatterie vor Spitzenlasten oder einem Puffer für Elektrofahrzeuge, die überhaupt keine Hauptbatterie haben (Brennstoffzellen).
- Zwischenunterbrechungsfreie Stromversorgung mit hoher Leistung (Aufnehmen der Last bei Ausfall der Hauptstromversorgung, bis der Backup-Generator startet).
- Die Regulierung von Spannungs- und Frequenzstößen in Stromversorgungssystemen wird von Jahr zu Jahr relevanter, da instabile erneuerbare Energiequellen in Stromversorgungssystemen weit verbreitet sind.
Und andere ähnliche Anwendungen, die eine hohe Leistungsdichte und häufiges Schalten erfordern.Wird abheben oder nicht abheben?
Die praktische Umsetzung einer solchen Technologie hängt von der Möglichkeit des Transfers vom Labor in die industrielle Produktion und natürlich von den Preisen ab. Wenn nichts Bestimmtes über die Preise gesagt werden kann, sehen die Aussichten für die Massenproduktion ziemlich gut aus. Im Gegensatz zu den meisten anderen Nanotechnologien, bei denen die Gefahr besteht, dass die Wände des Labors niemals verlassen werden. Die Arbeit beschreibt detailliert die Methodik zur Herstellung von Elektroden, und ich fand es nicht besonders schwierig, dies in der Industrie zu wiederholen.Das allgemeine Produktionsschema ist in dieser Abbildung dargestellt:
Produktionsstufe der Elektroden:- (W). ( «» , , ). 10% ().
- 650 , 2 . «» (WO3). , .
- , ( ). (850 ) (S). CVD ( ), (WS2) . 40 .
Eigentlich ist das alles Technologie. 2 Blätter einer solchen Folie werden in einen Elektrolyten gegeben und bilden einen Superkondensator. Als Elektrolyt eignen sich viele verschiedene Substanzen: Insbesondere haben Wissenschaftler Lösungen von Schwefelsäure, Lithiumchlorid und Kaliumchlorid getestet. Der Großteil der Tests wurde jedoch in einer Natriumsulfatlösung (Na 2 SO 4 ) durchgeführt.Bisher wurden keine ernsthaften Hindernisse für die Entwicklung der Technologie in der Industrie festgestellt. Aber höchstwahrscheinlich wird es sich in der Produktion als ziemlich teuer herausstellen, und in dieser Hinsicht wird es auch einen signifikanten Verlust in Bezug auf chemische Batterien geben, deren Herstellung viel einfacher ist.Für einen Snack eine kleine Umfrage. Was ist Ihrer Meinung nach mehr, nachdem alle Details ohne ein beschädigtes Telefon bekannt sind? Source: https://habr.com/ru/post/de399649/
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