¿Un avance en el almacenamiento de energía u otro caso cuando un científico "abusó" de un periodista?

( , 30 000 / , , .. ) , , , .. High-Performance One-Body Core/Shell Nanowire Supercapacitor Enabled by Conformal Growth of Capacitive 2D WS2 Layers ACS Nano.

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Pero, después de leer el artículo completo, decidí que aún merece atención, a pesar de la imparcialidad de la historieta en KDPV. Todavía hay algo importante y muy prometedor. Y qué más (avances o "científicos curaron el cáncer") sugiero que los lectores lo evalúen de forma independiente después de familiarizarse con los parámetros reales de la invención bajo un gato. Al mismo tiempo, hay una respuesta a algunas preguntas planteadas por los lectores, en particular, cómo estas "nanotecnologías" son adecuadas para la implementación industrial (producción) o esto no será más que un interesante experimento de laboratorio.

Equipo de buenas noticias

¿Cómo es este nuevo dispositivo de almacenamiento de energía? De hecho, no es nuevo, pertenece a la clase de supercondensadores ( ionistores ) que se conocen desde hace mucho tiempo y se usan ampliamente en la práctica . Pero los científicos lograron mejorar significativamente sus parámetros.

Uno de los principales problemas en el desarrollo de los ionistores es que es necesario resolver simultáneamente dos problemas que entran en conflicto entre sí:

• aumentar el área activa de los electrodos y su conductividad iónica para aumentar la capacitancia específica
• aumentar la conductividad electrónica de los electrodos para aumentar la potencia específica y reducir las pérdidas de energía durante la carga / descarga rápida del variador

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El color marrón en el diagrama indica metal puro, un tono más claro indica su óxido y el azul indica calcogenuro. La lámina inferior se muestra condicionalmente; de ​​hecho, su grosor es mucho mayor (comparable o incluso mayor que la altura de los "pasadores").

Además, estas son nanotecnologías reales, sin comillas. Entonces estos pines (o como los mismos científicos los llamaron nanocables) se ven bajo un microscopio electrónico:



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Y el método de producción logra una alta estabilidad: estos nanocables no se rocían sobre la superficie, sino que literalmente crecen a partir de ella, formando una estructura cristalina única que les proporciona una alta resistencia / estabilidad durante la operación. En el siguiente gráfico (e), los resultados de la prueba de las muestras obtenidas:


Incluso después de 30,000 ciclos, carga + descarga a alta potencia (aproximadamente 8 segundos para cargar y 16 segundos para un ciclo completo), la capacidad permanece por encima del original. Y los primeros miles de ciclos, incluso crece debido a la activación de la superficie (crecimiento del área activa de los electrodos). El máximo es aproximadamente el 125% de la capacidad nominal cuando se trabaja a altas corrientes (carga en ~ 8 segundos), más del 150% de la capacidad nominal cuando se trabaja a bajas corrientes (carga en ~ 160 segundos) y se alcanza después de 2500 ciclos de trabajo.

Esta "resistencia" es muy superior a cualquier muestra de ionistores "metálicos" (que tienen una potencia específica comparable) y están al nivel del mejor carbono clásico (que son inferiores en potencia y capacidad específicas).

Entonces, considerando todo lo anterior, ¿podemos decir que finalmente se inventa el dispositivo de almacenamiento de energía ideal que todos esperan?

Física, sin corazón ...

Lamentablemente no. Como todos los ionistores, este dispositivo de almacenamiento de energía tiene un gran inconveniente: una pequeña capacidad específica. En términos de capacidad, no ocurrirá un milagro que las limitaciones físicas fundamentales lo permitan. Todo esto es el mismo ionistor, almacenando energía mediante el uso de una doble capa eléctrica y con las restricciones correspondientes.

En particular, los elementos resultantes tienen un rango muy bajo de voltajes operativos: solo de 0 a 0,8 voltios, que es incluso más bajo que los niveles típicos para los ionistores fabricados con otras tecnologías. Y la energía almacenada por cualquier condensador, como saben, depende del cuadrado del voltaje máximo.

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A modo de comparación, puede llevar una batería de litio de tamaño estándar 18650 (un cilindro con un diámetro de 18 mm, una longitud de 65 mm y un peso de no más de 50 gramos). La capacidad típica alcanzada de tales elementos es ahora de aproximadamente 3 A * h, con un voltaje operativo promedio de 3.7 V, lo que proporciona aproximadamente 40 000 J de energía almacenada por elemento: 3 * 3600 * 3.7 = 39 960 J. Un

supercondensador con un voltaje operativo de 0.8 V para almacenamiento la misma energía necesitará una capacidad de 40,000 / 0.8 ² * 2 = 125,000 Faradios.

Para tal capacidad, ^se necesita el área de cada electrodo en 125000 / 0.05 = 2 500 000 cm ² = 250 m ² .

18650 , 4000 2 . . , ( , «», , - ).

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Y — , * / ³
Al mismo tiempo, vale la pena prestar atención al hecho de que ambas escalas son logarítmicas, una gran división = un aumento en el parámetro por un factor de 10

Pero, en comparación con las baterías químicas, la capacidad sigue siendo muy pequeña. Si recordamos la misma celda serie 18650 basada en litio, entonces con un volumen físico de menos de 17 cm ³ y energía almacenada de aproximadamente 40,000 J, su capacidad específica es de aproximadamente 2350 J / cm ³. Es decir al menos 10 veces mayor que la capacidad máxima (teórica) de este desarrollo. Y 15-20 veces más de lo que se puede esperar de ella en la práctica si comienza la producción. En masa (J / kg), la acumulación de baterías de litio será aún mayor. Los científicos no proporcionaron datos sobre la capacidad específica de masa en su trabajo, pero está claro que dichos elementos serán pesados: el elemento terminado a nivel macro será el rollo de lámina de tungsteno más densamente doblado impregnado con electrolito.

En general, puede olvidarse inmediatamente de las baterías para teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos electrónicos que se cargan en segundos. Además de baterías para vehículos eléctricos con carga en minutos y un gran recurso. Todos estos son inventos puros de periodistas que no están relacionados con la realidad (ver KDPV). Para tales aplicaciones, la capacitancia es indecentemente pequeña.

Pero en varios segmentos, teniendo en cuenta sus características (potencia específica alta y un recurso muy grande, sin la peor capacidad), tales unidades pueden ser muy prometedoras.

Por ejemplo:

• Buffer drive en vehículos eléctricos (híbridos o automóviles eléctricos con una pequeña capacidad de la batería principal, otros vehículos eléctricos como bicicletas eléctricas) para frenado regenerativo y / o "postquemador" a corto plazo, es decir protección de la batería principal contra cargas máximas o un amortiguador para vehículos eléctricos que no tienen una batería principal (pilas de combustible).
  
  
• Fuente de alimentación ininterrumpida intermedia de alta potencia (recogiendo la carga cuando falla la alimentación principal, hasta que se inicia el generador de respaldo).
  
  
• La regulación del aumento de voltaje y frecuencia en los sistemas de energía, que se vuelve cada vez más relevante cada año a medida que las fuentes de energía renovables inestables se introducen ampliamente en los sistemas de energía.

Y otras aplicaciones similares que requieren alta densidad de potencia y conmutación frecuente.

¿Despegará o no despegará?

La implementación práctica de dicha tecnología dependerá de la posibilidad de transferencia del laboratorio a la producción industrial y, por supuesto, de los precios. Si no se puede decir nada definitivo sobre los precios, las perspectivas de producción en masa parecen bastante buenas. A diferencia de la mayoría de las otras nanotecnologías, que corren el riesgo de nunca abandonar las paredes del laboratorio. El trabajo describe en detalle la metodología para la producción de electrodos y no encontré nada particularmente difícil de repetir en la industria.

El esquema general de producción se presenta en esta figura:



Etapa de producción de electrodos:

1. (W). ( «» , , ). 10% ().
   
   
2. 650 , 2 . «» (WO₃). , .
   
   
3. , ( ). (850 ) (S). CVD ( ), (WS₂) . 40 .

En realidad esto es todo tecnología. Se colocan 2 láminas de dicha lámina en un electrolito y forman un supercondensador. Muchas sustancias diferentes son adecuadas como electrolitos: en particular, los científicos probaron soluciones de ácido sulfúrico, cloruro de litio y cloruro de potasio. Pero la mayor parte de las pruebas se llevaron a cabo en una solución de sulfato de sodio (Na ₂ SO ₄ ).

Todavía no se han visto obstáculos serios para el desarrollo de la tecnología en la industria. Pero, muy probablemente, resultará bastante costoso en producción y, a este respecto, también habrá una pérdida significativa en relación con las baterías químicas, cuya producción es mucho más simple.

Para un aperitivo, una pequeña encuesta. Ahora que todos los detalles se conocen sin un teléfono dañado, ¿qué crees que es más?