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Une percée dans le stockage d'énergie ou un autre cas où un scientifique a «abusé» d'un journaliste?

En lisant les dernières nouvelles sur la prochaine percée sans précédent dans le développement de dispositifs de stockage d'énergie (chargement de la batterie d'un smartphone en quelques secondes, 30000 cycles de charge / décharge sans perte de capacité, et surtout, la capacité est dix fois supérieure à celle d'échantillons existants de lecteurs de ce type, à savoir les supercondensateurs et du moins pas pire que les piles au lithium), bien sûr, je n'y ai pas cru et je suis allé lire la source, c'est-à-dire Supercondensateur nanocâble à noyau et enveloppe monocomposant haute performance activé par la croissance conforme des couches capacitives 2D WS2 Article scientifique publié dans ACS Nano.

Après avoir parcouru ses yeux et m'être assuré que le scepticisme était justifié et correct, j'ai d'abord décidé d'ajouter quelques commentaires sous l'article et la photo qui était déjà en service sur la GT et je me limite à ceci:

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Mais, après avoir lu l'article dans son intégralité, j'ai décidé qu'il méritait toujours l'attention, malgré l'équité de la bande dessinée sur KDPV. Il y a encore quelque chose de révolutionnaire et de très prometteur. Et que dire de plus (percées ou "scientifiques ont guéri le cancer"), je suggère que les lecteurs l'évaluent indépendamment après s'être familiarisés avec les paramètres réels de l'invention sous un chat. Dans le même temps, il y a une réponse à certaines questions posées par les lecteurs, en particulier, comment ces «nanotechnologies» sont adaptées à la mise en œuvre industrielle (production) ou cela ne restera rien de plus qu'une expérience de laboratoire intéressante.

Bonne équipe de nouvelles


À quoi ressemble ce nouveau dispositif de stockage d'énergie? En fait, il n'est pas nouveau, il appartient à la classe des supercondensateurs ( ionistors ) connus depuis longtemps et largement utilisés en pratique . Mais les scientifiques ont réussi à améliorer considérablement leurs paramètres.

L'un des principaux problèmes rencontrés dans le développement des ionistors est qu'il est nécessaire de résoudre simultanément deux problèmes qui entrent en conflit:

  • augmenter la zone active des électrodes et leur conductivité ionique afin d'augmenter la capacité spécifique
  • augmenter la conductivité électronique des électrodes pour augmenter la puissance spécifique et réduire les pertes d'énergie lors de la charge / décharge rapide du variateur

Dans les technologies classiques préexistantes, l'accumulation d'un paramètre a entraîné une détérioration importante de l'autre. Ces dernières années, il y a eu des développements utilisant des nanotechnologies qui combinaient assez bien les deux exigences, mais ils ont été confrontés à un autre problème - la dégradation rapide des nanostructures formées pendant le fonctionnement et la perte rapide de capacité. Certains échantillons à cet égard étaient même inférieurs aux batteries chimiques ordinaires (ils n'ont résisté qu'à quelques centaines de cycles).

Il est possible d'appeler une percée dans ce travail que les scientifiques ont réussi à entrer dans l'arbre de Noël et à atteindre simultanément des indicateurs élevés en trois paramètres: capacité spécifique, puissance spécifique et ressource.

Comment cela a-t-il été réalisé? La base de tout est une feuille de métal de transition (le tungstène a été utilisé dans ce cas), qui offre des performances élevées dans le deuxième paramètre (conductivité électronique élevée des électrodes et, par conséquent, puissance spécifique élevée et faibles pertes pendant la charge / décharge).

De plus, une «forêt» dense est formée à la surface de cette feuille à partir de nanofils (broches) d'oxyde métallique recouverts d'un chalcogénure du même métal (dans ce cas , du sulfure de tungstène - WS 2 a été utilisé ). Schématiquement, cela ressemble à ceci:

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Le brun sur le diagramme indique le métal pur, une teinte plus claire indique son oxyde et le bleu indique le chalcogénure. Le film ci-dessous est montré de manière conditionnelle - en fait, son épaisseur est beaucoup plus grande (comparable ou même supérieure à la hauteur des «broches»).

De plus, ce sont de vraies nanotechnologies, sans guillemets. Donc, ces broches (ou comme les scientifiques les ont appelées - nanofils) regardent sous un microscope électronique:

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Ci-dessus, une vue générale de la surface, avec une «forêt» de nanofils cultivée dessus. (a) est une vue latérale d'un «câblage» distinct, (b) et (c) est une vue de surface (fragment agrandi dans un rectangle rouge) sur laquelle un film de hackolide formé sur le dessus de l'oxyde métallique est clairement visible, (d) est une coupe transversale d'un seul câblage, ( f) et (e) sont des fragments agrandis indiqués en bleu et vert.

Une telle nanostructure nous permet de fournir de bonnes performances dans le premier paramètre: une grande surface de la surface active des électrodes qui entrent en contact avec l'électrolyte, et, par conséquent, une capacité spécifique élevée selon les normes des supercondensateurs.

Et une grande stabilité est obtenue par la méthode de production - ces nanofils ne sont pas pulvérisés sur la surface, mais sont littéralement cultivés à partir de celle-ci, formant avec elle une structure monocristalline, ce qui leur confère une résistance / stabilité élevée pendant le fonctionnement. Dans le graphique (e) suivant, les résultats des tests des échantillons obtenus:

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Même après 30 000 cycles, charge + décharge à haute puissance (environ 8 secondes pour la charge et 16 secondes pour un cycle complet), la capacité reste supérieure à l'original. Et les quelques milliers de premiers cycles, il croît même du fait de l'activation de surface (croissance de la zone active des électrodes). Le maximum est d'environ 125% de la capacité nominale lorsque vous travaillez à des courants élevés (charge en ~ 8 secondes), plus de 150% de la capacité nominale lorsque vous travaillez à faible courant (charge en ~ 160 secondes) et est atteint après 2500 cycles de travail.

Cette "endurance" est de loin supérieure à tous les échantillons d'ionistors "métalliques" (qui ont une puissance spécifique comparable) et sont au niveau du meilleur carbone classique (qui sont inférieurs en puissance et capacité spécifiques).

Alors, compte tenu de tout ce qui précède, peut-on dire que le dispositif de stockage d'énergie idéal que tout le monde attend est enfin inventé?

Physique, toi sans cœur ...


Malheureusement non. Comme tous les ionistors, ce dispositif de stockage d'énergie présente un très gros inconvénient - une petite capacité spécifique. En termes de capacité, un miracle ne se produira pas si les limitations physiques fondamentales le permettent. Il s'agit tout de même d'un ionistor, stockant de l'énergie grâce à l'utilisation d'une double couche électrique et avec les restrictions correspondantes.

En particulier, les éléments résultants ont une très faible plage de tensions de fonctionnement: seulement de 0 à 0,8 Volts, ce qui est même inférieur aux niveaux typiques pour les ionistors fabriqués en utilisant d'autres technologies. Et l'énergie stockée par les condensateurs, comme vous le savez, dépend du carré de la tension maximale.

La capacité électrique (en Farads), bien que significativement (plusieurs fois) plus élevée que la plupart des analogues, n'est pas de l'ordre de grandeur nécessaire pour compenser la tension de fonctionnement inférieure par rapport aux autres ionistors, puis rattraper les batteries chimiques, à partir desquelles les ioniseurs typiques des capacités spécifiques sont à la traîne des dizaines de fois. Le graphique suivant montre la plage de tensions de fonctionnement et la dépendance de la capacité spécifique (mileFarads pour 1 cm 2 de surface d'électrode) sur la vitesse de charge / décharge:

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Avec de tels paramètres, au moins égaux aux batteries au lithium longues et disponibles dans le commerce, qui sont déjà devenues la norme, il vous suffit d'avoir Zone d'électrode gigantesque et les emballer de manière très compacte.

À titre de comparaison, vous pouvez prendre une batterie au lithium de taille standard 18650 (un cylindre d'un diamètre de 18 mm, d'une longueur de 65 mm et d'un poids ne dépassant pas 50 grammes). La capacité typique atteinte de tels éléments est maintenant d'environ 3 A * h, avec une tension de fonctionnement moyenne de 3,7 V, ce qui donne environ 40 000 J d'énergie stockée par élément: 3 * 3600 * 3,7 = 39 960

J.Un supercondensateur avec une tension de fonctionnement de 0,8 V pour le stockage la même énergie aura besoin d'une capacité de 40 000 / 0,8 2 * 2 = 125 000 Farads.

Pour une telle capacité, la surface de chaque électrode en 125000 / 0,05 = 2 500 000 cm 2 = 250 m 2 est nécessaire .

Si vous essayez d'intégrer toute cette zone d'électrodes dans un petit volume similaire de 18650 cellules, vous obtiendrez une bande de plus de 4000 mètres de long pour chacune des 2 électrodes et un séparateur entre elles de la même longueur. Cette densité de garnissage n'est même pas pratiquement réalisable en pratique. De plus, ce n'est pas réalisable même en théorie (si l'on prend l'épaisseur de la base sur laquelle la "forêt" est cultivée, égale à zéro et égale à zéro, la distance entre les électrodes produira toujours un volume beaucoup plus important que la batterie).

En fait, les scientifiques qui ont mené l'étude le comprennent très bien. Ils ont estimé la capacité spécifique des condensateurs lors de l'utilisation d'électrodes similaires à un niveau d'environ 0,06 W * h / cm 3 ou 216 J / cm 3. Il s'agit de l'estimation (limite) la plus optimiste non réalisable en pratique, car seul le volume des électrodes elles-mêmes est pris en compte sans tout le reste (séparateur, électrolyte, boîtier). En pratique, une réalisation de capacité 1,5-2 fois inférieure à cette limite sera considérée comme une bonne réalisation.

Selon les normes des supercondensateurs, ce sont simplement de magnifiques paramètres qui, dans l'ensemble (capacité / puissance), dépassent tous les analogues. Ci-dessous sur le graphique est une comparaison avec toutes les technologies déjà utilisées et considérées comme des technologies alternatives prometteuses pour la production de condensateurs (l'option en discussion est un ensemble de points noirs):

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axe X - puissance spécifique, Watt / cm 3
, axe Y - capacité spécifique, Watt * heure / cm 3
Dans le même temps, il convient de prêter attention au fait que les deux échelles sont logarithmiques, une grande division = une augmentation du paramètre d'un facteur 10

Mais, par rapport aux batteries chimiques, la capacité est encore très faible. Si l'on se souvient de la même cellule série 18650 à base de lithium, alors avec un volume physique inférieur à 17 cm 3 et une énergie stockée d'environ 40 000 J, sa capacité spécifique est d'environ 2350 J / cm 3. C'est-à-dire au moins 10 fois supérieure à la capacité maximale (théorique) de ce développement. Et 15 à 20 fois plus que ce que l'on peut attendre d'elle dans la pratique si la production commence. En masse (J / kg), l'arriéré des batteries au lithium sera encore plus élevé. Les scientifiques n'ont pas fourni de données sur la capacité spécifique de masse dans leur travail, mais il est clair que ces éléments seront lourds: l'élément fini au niveau macro sera le rouleau de feuille de tungstène le plus densément plié imprégné d'électrolyte.

En général, vous pouvez immédiatement oublier les batteries pour smartphones, tablettes et autres appareils électroniques qui se chargent en quelques secondes. Ainsi que sur les batteries pour véhicules électriques avec recharge en quelques minutes et une énorme ressource. Ce sont toutes de pures inventions de journalistes qui ne sont pas liées à la réalité (voir KDPV). Pour de telles applications, la capacité est indécemment petite.

Mais dans un certain nombre de segments, compte tenu de leurs caractéristiques (puissance spécifique élevée et très grande ressource, sans la pire capacité), de tels disques peuvent être très prometteurs.

Par exemple:

  • Conduite tampon sur les véhicules électriques (hybrides ou voitures électriques avec une petite capacité de la batterie principale, autres véhicules électriques tels que les vélos électriques) pour le freinage régénératif et / ou le "afterburner" à court terme, c'est-à-dire protection de la batterie principale contre les pics de charge ou un tampon pour les véhicules électriques qui n'ont pas du tout de batterie principale (piles à combustible).

  • Alimentation intermédiaire sans coupure de haute puissance (prise de charge en cas de coupure de l'alimentation principale, jusqu'au démarrage du générateur de secours).

  • La régulation des surtensions et des fréquences dans les réseaux électriques, qui devient de plus en plus pertinente chaque année à mesure que les sources d'énergie renouvelables instables sont largement introduites dans les réseaux électriques.

Et d'autres applications similaires nécessitant une densité de puissance élevée et une commutation fréquente.

Va décoller ou ne pas décoller?


La mise en œuvre pratique d'une telle technologie dépendra de la possibilité de transfert du laboratoire à la production industrielle et, bien sûr, des prix. Si rien de précis ne peut être dit sur les prix, les perspectives de production de masse semblent plutôt bonnes. Contrairement à la plupart des autres nanotechnologies, qui risquent de ne jamais quitter les murs du laboratoire. Le travail décrit en détail la méthodologie pour la production d'électrodes et je n'ai rien trouvé de particulièrement difficile à répéter dans l'industrie.

Le schéma général de production est présenté dans cette figure:

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Stade de production des électrodes:

  1. (W). ( «» , , ). 10% ().

  2. 650 , 2 . «» (WO3). , .

  3. , ( ). (850 ) (S). CVD ( ), (WS2) . 40 .

En fait, c'est toute la technologie. 2 feuilles d'une telle feuille sont placées dans un électrolyte et forment un supercondensateur. De nombreuses substances différentes conviennent comme électrolyte: en particulier, les scientifiques ont testé des solutions d'acide sulfurique, de chlorure de lithium et de chlorure de potassium. Mais l'essentiel des tests a été réalisé dans une solution de sulfate de sodium (Na 2 SO 4 ).

Aucun obstacle sérieux au développement de la technologie dans l'industrie n'a encore été observé. Mais, très probablement, cela se révélera assez coûteux en production et à cet égard, il y aura également une perte importante par rapport aux batteries chimiques, dont la production est beaucoup plus simple.

Pour une collation, une petite enquête. Maintenant que tous les détails sont connus sans téléphone endommagé, que pensez-vous de plus?

Source: https://habr.com/ru/post/fr399649/

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