Terobosan dalam penyimpanan energi atau kasus lain ketika seorang ilmuwan "melecehkan" seorang jurnalis?

Membaca berita terbaru tentang terobosan baru yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam pengembangan perangkat penyimpanan energi (pengisian baterai smartphone dalam hitungan detik, 30.000 siklus pengisian / pemakaian tanpa kehilangan kapasitas, dan yang paling penting, kapasitasnya sepuluh kali lebih besar daripada sampel drive yang ada dari jenis ini, yaitu superkapasitor) dan setidaknya tidak lebih buruk dari baterai lithium), tentu saja, saya tidak percaya dan pergi untuk membaca sumbernya, yaitu Core / Shell Nanowire Super-Body Satu-Kinerja Tinggi Diaktifkan oleh Pertumbuhan Konformal dari artikel ilmiah WS2 Layers 2D Capacitive yang diterbitkan di ACS Nano.

Setelah melewati matanya dan memastikan bahwa skeptisisme itu dibenarkan dan benar, saya pertama kali memutuskan untuk menambahkan beberapa komentar di bawah artikel dan gambar yang sudah menjadi tugas di GT dan membatasi ini:


Tetapi, setelah membaca artikel lengkapnya, saya memutuskan bahwa itu masih layak mendapat perhatian, terlepas dari keadilan komik di KDPV. Masih ada sesuatu terobosan dan sangat menjanjikan di dalamnya. Dan apa lagi (terobosan atau "ilmuwan menyembuhkan kanker") Saya menyarankan agar pembaca mengevaluasinya secara independen setelah membiasakan diri dengan parameter nyata dari penemuan di bawah kucing. Pada saat yang sama ada jawaban untuk beberapa pertanyaan yang diajukan oleh pembaca, khususnya, bagaimana "teknologi nano" ini cocok untuk implementasi industri (produksi) atau ini akan tetap tidak lebih dari eksperimen laboratorium yang menarik.

Tim berita yang bagus

Seperti apa perangkat penyimpanan energi baru ini? Bahkan, ini bukan hal baru, itu milik kelas superkondensor ( ionistors ) yang telah lama dikenal dan banyak digunakan dalam praktik . Tetapi para ilmuwan berhasil secara signifikan meningkatkan parameter mereka.

Salah satu masalah utama dalam pengembangan ionistor adalah bahwa perlu untuk secara bersamaan menyelesaikan dua masalah yang saling bertentangan:

• meningkatkan area aktif elektroda dan konduktivitas ioniknya untuk meningkatkan kapasitansi spesifik
• meningkatkan konduktivitas elektronik dari elektroda untuk meningkatkan daya spesifik dan mengurangi kehilangan energi selama pengisian cepat / pemakaian drive

Dalam teknologi klasik yang sudah ada sebelumnya, penumpukan satu parameter menyebabkan penurunan signifikan yang lainnya. Dalam beberapa tahun terakhir, telah ada perkembangan menggunakan teknologi nano yang cukup baik menggabungkan kedua persyaratan, tetapi mereka menghadapi masalah lain - degradasi cepat struktur nano yang terbentuk selama operasi dan cepatnya kehilangan kapasitas. Beberapa sampel dalam hal ini bahkan lebih rendah daripada baterai kimia biasa (mereka bertahan hanya beberapa ratus siklus).

Dimungkinkan untuk menyebut terobosan dalam karya ini bahwa para ilmuwan berhasil masuk ke pohon Natal dan mencapai indikator tinggi sekaligus dalam tiga parameter secara bersamaan: kapasitas spesifik, daya spesifik, dan sumber daya.

Bagaimana ini dicapai? Dasar dari semuanya adalah foil logam transisi (tungsten digunakan dalam kasus ini), yang memberikan kinerja tinggi pada parameter kedua (konduktivitas elektronik yang tinggi dari elektroda, dan, oleh karena itu, daya spesifik tinggi dan kerugian rendah selama pengisian / pemakaian).

Selanjutnya, "hutan" padat terbentuk pada permukaan foil ini dari kawat nano (pin) oksida logam yang dilapisi dengan chalcogenide dari logam yang sama (dalam hal ini , tungsten sulfida - WS _{2 digunakan} ). Secara skematis, tampilannya seperti ini:


Brown pada diagram menunjukkan logam murni, warna yang lebih terang menunjukkan oksida, dan biru menunjukkan kalkogenida. Foil di bawah ini ditunjukkan secara kondisional - pada kenyataannya, ketebalannya jauh lebih besar (sebanding atau bahkan lebih besar dari ketinggian "pin").

Selain itu, ini adalah teknologi nano nyata, tanpa tanda kutip. Jadi pin-pin ini (atau seperti yang oleh para ilmuwan sendiri disebut - kawat nano) terlihat di bawah mikroskop elektron:



Di atas adalah pandangan umum dari permukaan, dengan "hutan" kawat nano tumbuh di atasnya. (A) adalah pandangan sisi dari "kabel" yang terpisah, (b) dan (c) adalah tampilan permukaan (fragmen diperbesar dalam persegi panjang merah) di mana film hackolide terbentuk di atas oksida logam terlihat jelas, (d) adalah penampang dari kabel tunggal, ( f) dan (e) adalah fragmen yang diperbesar yang ditandai dengan biru dan hijau.

Struktur nano seperti itu memungkinkan kami untuk memberikan kinerja yang baik pada parameter pertama: area luas permukaan aktif elektroda yang bersentuhan dengan elektrolit, dan, karenanya, kapasitas spesifik tinggi dengan standar superkapasitor.

Dan stabilitas tinggi dicapai dengan metode produksi - kawat nano ini tidak disemprotkan ke permukaan, tetapi benar-benar tumbuh darinya, membentuk struktur kristal tunggal dengannya, yang memberi mereka kekuatan / stabilitas tinggi selama operasi. Dalam grafik berikut (e), hasil uji sampel yang diperoleh:


Bahkan setelah 30.000 siklus, pengisian + pengosongan daya tinggi (sekitar 8 detik untuk pengisian daya dan 16 detik untuk siklus penuh), kapasitas tetap di atas yang asli. Dan beberapa ribu siklus pertama, ia bahkan tumbuh karena aktivasi permukaan (pertumbuhan area aktif elektroda). Maksimal sekitar 125% dari kapasitas nominal saat bekerja pada arus tinggi (mengisi dalam ~ 8 detik), lebih dari 150% dari kapasitas nominal saat bekerja pada arus rendah (mengisi dalam ~ 160 detik) dan tercapai setelah 2500 siklus kerja.

"Daya tahan" ini jauh lebih unggul dari sampel ionis "logam" mana pun (yang memiliki kekuatan spesifik yang sebanding) dan berada pada tingkat karbon klasik terbaik (yang memiliki daya dan kapasitas spesifik lebih rendah).

Jadi, dengan mempertimbangkan semua hal di atas, dapatkah kita mengatakan bahwa perangkat penyimpanan energi ideal yang ditunggu semua orang akhirnya diciptakan?

Fisika, kejam kamu ...

Sayangnya tidak. Seperti semua ion, perangkat penyimpanan energi ini memiliki satu kelemahan yang sangat besar - kapasitansi spesifik kecil. Dalam hal kapasitas, mukjizat tidak akan terjadi yang memungkinkan keterbatasan fisik mendasar. Ini semua ionistor yang sama, menyimpan energi melalui penggunaan lapisan listrik ganda dan dengan pembatasan yang sesuai.

Secara khusus, elemen yang dihasilkan memiliki kisaran tegangan operasi yang sangat rendah: hanya dari 0 hingga 0,8 Volt, yang bahkan lebih rendah dari level tipikal untuk ion yang dibuat menggunakan teknologi lain. Dan energi yang disimpan oleh kapasitor apa pun, seperti yang Anda tahu, tergantung pada kuadrat dari tegangan maksimum.

( ), ( ) , , , , . ( 1 ² ) /:



, , , .

Sebagai perbandingan, Anda dapat mengambil baterai lithium ukuran standar 18650 (sebuah silinder dengan diameter 18 mm, panjang 65 mm dan berat tidak lebih dari 50 gram). Kapasitas dicapai khas elemen-elemen tersebut sekarang sekitar 3 A * h, dengan tegangan operasi rata-rata 3,7 V, yang memberikan sekitar 40 000 J energi yang tersimpan per elemen: 3 * 3600 * 3,7 = 39 960 J. Sebuah

superkapasitor dengan tegangan operasi 0,8 V untuk penyimpanan energi yang sama akan membutuhkan kapasitas 40.000 / 0,8 ² * 2 = 125.000 Farad.

Untuk kapasitas seperti itu, luas masing-masing elektroda dalam 125000 / 0,05 = 2 500 000 cm ² = 250 m ² diperlukan .

Jika Anda mencoba untuk memasukkan semua area elektroda ini ke dalam volume kecil yang sama yaitu 18650 sel, Anda akan mendapatkan pita dengan panjang lebih dari 4000 meter untuk masing-masing 2 elektroda dan pemisah di antara keduanya dengan panjang yang sama. Kepadatan pengepakan ini bahkan hampir tidak dapat dicapai dalam praktek. Selain itu, itu tidak dapat dicapai bahkan dalam teori (jika kita mengambil ketebalan pangkalan di mana "hutan" ditanam, sama dengan nol dan sama dengan nol, jarak antara elektroda masih akan menghasilkan volume yang jauh lebih besar daripada baterai).

Sebenarnya, para ilmuwan yang melakukan penelitian memahami ini dengan sangat baik. Mereka memperkirakan kapasitansi spesifik kapasitor saat menggunakan elektroda yang serupa pada tingkat sekitar 0,06 W * h / cm ³ atau 216 J / cm ³. Ini adalah perkiraan (batas) paling optimis yang tidak dapat dicapai dalam praktik, karena hanya volume elektroda sendiri yang diperhitungkan tanpa yang lainnya (separator, elektrolit, selubung). Dalam praktiknya, pencapaian kapasitas 1,5-2 kali di bawah batas ini akan dianggap sebagai pencapaian yang baik.

Dengan standar super kapasitor, ini hanyalah parameter cantik yang secara agregat (kapasitas / daya) melebihi semua analog. Di bawah ini pada grafik adalah perbandingan dengan semua yang sudah digunakan dalam praktek dan dianggap sebagai teknologi alternatif yang menjanjikan untuk produksi kapasitor (opsi yang sedang dibahas adalah seperangkat titik hitam):



Sumbu X - daya spesifik, Watt / cm ³
, Sumbu Y - kapasitas spesifik, Watt * jam / cm ³
Pada saat yang sama, perlu memperhatikan fakta bahwa kedua skala logaritmik, satu divisi besar = peningkatan parameter dengan faktor 10

Tetapi, dibandingkan dengan baterai kimia, kapasitasnya masih sangat kecil. Jika kita mengingat sel seri 18650 yang sama berdasarkan lithium, maka dengan volume fisik kurang dari 17 cm ³ dan energi yang tersimpan sekitar 40.000 J, kapasitas spesifiknya adalah sekitar 2350 J / cm ³. Yaitu setidaknya 10 kali lebih tinggi dari kapasitas maksimum (teoritis) dari pengembangan ini. Dan 15-20 kali lebih tinggi dari apa yang dapat diharapkan darinya dalam praktik jika produksi dimulai. Secara massal (J / kg), jaminan simpanan dari baterai lithium akan semakin tinggi. Para ilmuwan tidak memberikan data tentang kapasitas spesifik massa dalam pekerjaan mereka, tetapi jelas bahwa unsur-unsur seperti itu akan berat: elemen akhir pada tingkat makro akan menjadi gulungan tungsten foil yang paling padat dilipat yang diimpregnasi dengan elektrolit.

Secara umum, Anda dapat segera melupakan baterai untuk ponsel cerdas, tablet, dan elektronik lainnya yang terisi daya dalam hitungan detik. Serta tentang baterai untuk kendaraan listrik dengan pengisian dalam hitungan menit dan sumber daya yang besar. Ini semua adalah penemuan murni jurnalis yang tidak terkait dengan kenyataan (lihat KDPV). Untuk aplikasi semacam itu, kapasitansinya kecil.

Tetapi di sejumlah segmen, dengan mempertimbangkan karakteristiknya (daya spesifik tinggi dan sumber daya yang sangat besar, dengan bukan kapasitas terburuk), drive semacam itu bisa sangat menjanjikan.

Sebagai contoh:

• Drive penyangga pada kendaraan listrik (hibrida atau mobil listrik dengan kapasitas kecil baterai utama, kendaraan listrik lain seperti sepeda listrik) untuk pengereman regeneratif dan / atau "afterburner" jangka pendek, yaitu. perlindungan baterai utama dari beban puncak atau penyangga untuk kendaraan listrik yang tidak memiliki baterai utama sama sekali (sel bahan bakar).
  
  
• Catu daya menengah yang tidak pernah terputus dari daya tinggi (mengambil beban ketika daya utama gagal, sampai generator cadangan dimulai).
  
  
• Regulasi lonjakan tegangan dan frekuensi dalam sistem tenaga, yang semakin relevan setiap tahun karena sumber energi terbarukan yang tidak stabil diperkenalkan secara luas ke dalam sistem tenaga.

Dan aplikasi serupa lainnya membutuhkan kepadatan daya tinggi dan sering berpindah.

Akan lepas landas atau tidak lepas landas?

Implementasi praktis dari teknologi semacam itu akan tergantung pada kemungkinan transfer dari laboratorium ke produksi industri dan, tentu saja, pada harga. Jika tidak ada yang dapat dikatakan tentang harga, prospek produksi massal terlihat cukup baik. Tidak seperti kebanyakan teknologi nano lainnya, yang berisiko tidak pernah meninggalkan dinding laboratorium. Pekerjaan menjelaskan secara rinci metodologi untuk produksi elektroda dan saya tidak menemukan sesuatu yang sangat sulit untuk diulangi di industri ini.

Skema produksi umum disajikan dalam gambar ini:



Tahap produksi elektroda:

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

Sebenarnya ini semua teknologi. 2 lembar foil tersebut ditempatkan dalam elektrolit dan membentuk super kapasitor. Banyak zat yang berbeda cocok sebagai elektrolit: khususnya, para ilmuwan menguji larutan asam sulfat, litium klorida, dan kalium klorida. Tapi sebagian besar tes yang dilakukan dalam larutan natrium sulfat (Na ₂ SO ₄ ).

Tidak ada hambatan serius terhadap perkembangan teknologi dalam industri yang belum terlihat. Tapi, kemungkinan besar, itu akan menjadi sangat mahal dalam produksi dan dalam hal ini juga akan ada kerugian yang signifikan dalam kaitannya dengan baterai kimia, yang produksinya jauh lebih sederhana.

Untuk camilan, survei kecil. Sekarang setelah semua detail diketahui tanpa telepon yang rusak, menurut Anda apa yang lebih dari itu?