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Um avanço no armazenamento de energia ou outro caso em que um cientista "abusou" de um jornalista?

Lendo as notícias recentes sobre a próxima inovação sem precedentes no desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia (carregar a bateria de um smartphone em literalmente segundos, 30.000 ciclos de carga / descarga sem perda de capacidade e, o mais importante, a capacidade é dezenas de vezes maior que as amostras existentes de unidades desse tipo, ou seja, supercapacitores e pelo menos não pior que as baterias de lítio), é claro, eu não acreditei e fui ler a fonte, ou seja, Supercapacitor de nanofio de núcleo / casco de um só corpo e alto desempenho, habilitado pelo Crescimento conforme das camadas 2D capacitivas do WS2 Artigo científico publicado no ACS Nano.

Depois de passar por seus olhos e garantir que o ceticismo fosse justificado e correto, decidi primeiro adicionar alguns comentários ao artigo e a foto que já estava em serviço no GT e limitar isso:

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Mas, depois de ler o artigo completo, decidi que ele ainda merece atenção, apesar da imparcialidade da história em quadrinhos no KDPV. Ainda há algo inovador e muito promissor. E o que mais (descobertas ou "cientistas curaram o câncer") sugiro que os leitores avaliem-no independentemente depois de se familiarizarem com os parâmetros reais da invenção sob um gato. Ao mesmo tempo, há uma resposta a algumas perguntas levantadas pelos leitores, em particular, como essas “nanotecnologias” são adequadas para implementação industrial (produção) ou isso permanecerá nada além de um experimento de laboratório interessante.

Boa equipe de notícias


Como é esse novo dispositivo de armazenamento de energia? De fato, não é novidade, pertence à classe de supercondensadores ( ionistores ) que são conhecidos há muito tempo e são amplamente utilizados na prática . Mas os cientistas conseguiram melhorar significativamente seus parâmetros.

Um dos principais problemas no desenvolvimento de ionistores é que é necessário resolver simultaneamente dois problemas que conflitam entre si:

  • aumentar a área ativa dos eletrodos e sua condutividade iônica, a fim de aumentar a capacitância específica
  • aumentar a condutividade eletrônica dos eletrodos para aumentar a potência específica e reduzir as perdas de energia durante o carregamento / descarregamento rápido da unidade

Nas tecnologias clássicas pré-existentes, o acúmulo de um parâmetro levou a uma deterioração significativa do outro. Nos últimos anos, houve desenvolvimentos usando nanotecnologias que combinavam muito bem os dois requisitos, mas enfrentaram outro problema - a rápida degradação das nanoestruturas formadas durante a operação e a rápida perda de capacidade. Algumas amostras nesse sentido eram inferiores até às baterias químicas comuns (elas resistiam a apenas algumas centenas de ciclos).

É possível chamar uma inovação neste trabalho que os cientistas conseguiram entrar na árvore de Natal e alcançar altos indicadores de uma só vez em três parâmetros simultaneamente: capacidade específica, poder específico e recursos.

Como isso foi alcançado? A base de tudo é uma folha de metal de transição (foi usado tungstênio neste caso), que fornece alto desempenho no segundo parâmetro (alta condutividade eletrônica dos eletrodos e, portanto, alta potência específica e baixas perdas durante o carregamento / descarregamento).

Além disso, uma densa “floresta” é formada na superfície dessa folha a partir de nanofios (pinos) de óxido de metal revestidos com um calcogeneto do mesmo metal (neste caso , foi utilizado sulfeto de tungstênio - WS2 ). Esquematicamente, fica assim:

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Marrom no diagrama indica metal puro, uma tonalidade mais clara indica seu óxido e azul indica calcogeneto. A folha abaixo é mostrada condicionalmente - na verdade, sua espessura é muito maior (comparável ou até maior que a altura dos “pinos”).

Além disso, são nanotecnologias reais, sem aspas. Portanto, esses pinos (ou como os próprios cientistas os chamavam - nanofios) olham sob um microscópio eletrônico:

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Acima está uma visão geral da superfície, com uma “floresta” de nanofios cultivados nela. (a) é uma vista lateral de uma "fiação" separada, (b) e (c) é uma vista de superfície (fragmento ampliado em um retângulo vermelho) em que uma película de hackolídeo formada sobre o óxido de metal é claramente visível, (d) é uma seção transversal de uma única fiação ( f) e (e) são fragmentos aumentados indicados em azul e verde.

Essa nanoestrutura nos permite fornecer um bom desempenho no primeiro parâmetro: uma grande área da superfície ativa dos eletrodos que entram em contato com o eletrólito e, portanto, uma alta capacidade específica pelos padrões dos supercapacitores.

E a alta estabilidade é alcançada pelo método de produção - esses nanofios não são pulverizados na superfície, mas literalmente crescem a partir dela, formando uma única estrutura cristalina, o que lhes confere alta resistência / estabilidade durante a operação. No gráfico (e) a seguir, os resultados dos testes das amostras obtidas:

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Mesmo após 30.000 ciclos, carga + descarga em alta potência (cerca de 8 segundos para carregar e 16 segundos para um ciclo completo), a capacidade permanece acima da original. E nos primeiros milhares de ciclos, cresce até devido à ativação da superfície (crescimento da área ativa dos eletrodos). O máximo é de cerca de 125% da capacidade nominal ao trabalhar em altas correntes (carga por ~ 8 segundos), mais de 150% da capacidade nominal quando se trabalha em correntes baixas (carga por ~ 160 segundos) e é atingido após 2500 ciclos de trabalho.

Essa "resistência" é muito superior a qualquer amostra de ionistores "metálicos" (que possuem poder específico comparável) e estão no nível do melhor carbono clássico (que é inferior em potência e capacidade específicas).

Portanto, considerando todas as considerações acima, podemos dizer que o dispositivo ideal de armazenamento de energia que todo mundo está esperando finalmente foi inventado?

Física, sem coração você ...


Infelizmente não. Como todos os ionistores, este dispositivo de armazenamento de energia tem uma grande desvantagem - uma pequena capacitância específica. Em termos de capacidade, um milagre não acontecerá. As limitações físicas fundamentais permitem. É o mesmo ionistor, armazenando energia através do uso de uma dupla camada elétrica e com as restrições correspondentes.

Em particular, os elementos resultantes têm uma faixa muito baixa de tensões operacionais: apenas de 0 a 0,8 Volts, o que é ainda mais baixo do que os níveis típicos para ionistores fabricados usando outras tecnologias. E a energia armazenada por qualquer capacitor, como você sabe, depende do quadrado da tensão máxima.

A capacitância elétrica (em Farads), embora significativamente (várias vezes) maior que a maioria dos análogos, não é de ordem de magnitude necessária para compensar a menor tensão operacional em comparação com outros ionistores, e também alcança baterias químicas, das quais ionistores típicos capacidades específicas ficam para trás dezenas de vezes. O gráfico a seguir mostra a faixa de tensões operacionais e a dependência da capacitância específica (milhasFarads por 1 cm 2 de área do eletrodo) na velocidade de carga / descarga:

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Com esses parâmetros, para pelo menos igualar as baterias de lítio compridas e comercialmente disponíveis, que já se tornaram padrão, você só precisa ter Eletrodo gigantesco e empacotá-los de forma muito compacta.

Para comparação, você pode levar uma bateria de lítio do tamanho padrão 18650 (um cilindro com um diâmetro de 18 mm, um comprimento de 65 mm e um peso não superior a 50 gramas). A capacidade típica alcançada desses elementos agora é de cerca de 3 A * h, com uma tensão operacional média de 3,7 V, o que fornece cerca de 40 000 J de energia armazenada por elemento: 3 * 3600 * 3,7 = 39 960 J. Um

supercapacitor com uma tensão operacional de 0,8 V para armazenamento a mesma energia precisará de uma capacidade de 40.000 / 0,8 2 * 2 = 125.000 Farads.

Para essa capacidade, é necessária a área de cada eletrodo em 125000 / 0,05 = 2 500 000 cm 2 = 250 m 2 .

Se você tentar encaixar toda essa área de eletrodos em um pequeno volume semelhante de 18650 células, obterá uma fita com mais de 4000 metros de comprimento para cada um dos 2 eletrodos e um separador entre eles do mesmo comprimento. Essa densidade de empacotamento nem sequer é alcançável na prática. Além disso, isso não é possível nem em teoria (se considerarmos a espessura da base na qual a "floresta" é cultivada, igual a zero e igual a zero, a distância entre os eletrodos ainda produzirá um volume muito maior que a bateria).

Na verdade, os cientistas que conduziram o estudo entendem isso muito bem. Eles estimaram a capacitância específica dos capacitores ao usar eletrodos semelhantes em um nível de cerca de 0,06 W * h / cm 3 ou 216 J / cm 3. Essa é a estimativa mais otimista (limite) não alcançável na prática, porque somente o volume dos eletrodos é levado em consideração sem tudo o mais (separador, eletrólito, revestimento). Na prática, uma conquista de capacidade 1,5-2 vezes abaixo desse limite será considerada uma boa conquista.

Pelos padrões dos supercapacitores, esses são parâmetros simplesmente deslumbrantes que agregados (capacidade / potência) excedem todos os análogos. Abaixo, no gráfico, há uma comparação com todas as já utilizadas na prática e consideradas promissoras tecnologias alternativas para a produção de capacitores (a opção em discussão é um conjunto de pontos pretos):

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eixo X - potência específica, Watt / cm 3
, eixo Y - capacidade específica, Watt * hora / cm 3
Ao mesmo tempo, vale a pena prestar atenção ao fato de que ambas as escalas são logarítmicas, uma grande divisão = um aumento no parâmetro em um fator de 10.

Mas, comparada às baterias químicas, a capacidade ainda é muito pequena. Se lembrarmos da mesma célula serial à base de lítio 18650, com um volume físico inferior a 17 cm 3 e energia armazenada de cerca de 40.000 J, sua capacidade específica será de 2350 J / cm 3.. I.e. pelo menos 10 vezes maior que a capacidade máxima (teórica) desse desenvolvimento. E 15 a 20 vezes superior ao que se pode esperar dela na prática se a produção começar. Em massa (J / kg), o atraso das baterias de lítio será ainda maior. Os cientistas não forneceram dados sobre a capacidade específica de massa em seu trabalho, mas é claro que esses elementos serão pesados: o elemento acabado no nível macro será o rolo de folha de tungstênio mais densamente dobrado impregnado com eletrólito.

Em geral, você pode esquecer imediatamente as baterias para smartphones, tablets e outros eletrônicos que carregam em segundos. Além de baterias para veículos elétricos, com carregamento em minutos e um enorme recurso. Todas essas são invenções puras de jornalistas que não estão relacionados à realidade (veja KDPV). Para tais aplicações, a capacitância é indecentemente pequena.

Porém, em vários segmentos, levando em consideração suas características (alta potência específica e um recurso muito grande, sem a pior capacidade), essas unidades podem ser muito promissoras.

Por exemplo:

  • Acionamento de buffer em veículos elétricos (híbridos ou carros elétricos com uma pequena capacidade da bateria principal, outros veículos elétricos, como bicicletas elétricas) para frenagem regenerativa e / ou "pós-combustão" de curto prazo, ou seja, proteção da bateria principal contra cargas de pico ou um buffer para veículos elétricos que não possuem uma bateria principal (células de combustível).

  • Fonte de alimentação intermediária ininterrupta de alta potência (pegando a carga quando a energia principal falhar, até o gerador de backup iniciar).

  • A regulação das oscilações de tensão e frequência nos sistemas de energia, que se tornam cada vez mais relevantes a cada ano, à medida que fontes instáveis ​​de energia renovável são amplamente introduzidas nos sistemas de energia.

E outras aplicações semelhantes que exigem alta densidade de energia e comutação frequente.

Vai decolar ou não decolar?


A implementação prática de tal tecnologia dependerá da possibilidade de transferência do laboratório para a produção industrial e, é claro, dos preços. Se nada definitivo puder ser dito sobre preços, as perspectivas de produção em massa parecem muito boas. Ao contrário da maioria das outras nanotecnologias, que correm o risco de nunca sair das paredes do laboratório. O trabalho descreve em detalhes a metodologia para a produção de eletrodos e não achei nada particularmente difícil repetir isso na indústria.

O esquema geral de produção é apresentado nesta figura:

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Estágio de produção de eletrodos:

  1. (W). ( «» , , ). 10% ().

  2. 650 , 2 . «» (WO3). , .

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

Na verdade, isso é tudo tecnologia. 2 folhas dessa folha são colocadas em um eletrólito e formam um supercapacitor. Muitas substâncias diferentes são adequadas como eletrólito: em particular, os cientistas testaram soluções de ácido sulfúrico, cloreto de lítio e cloreto de potássio. Mas a maior parte dos testes foi realizada em uma solução de sulfato de sódio (Na 2 SO 4 ).

Ainda não foram vistos obstáculos sérios ao desenvolvimento da tecnologia na indústria. Mas, muito provavelmente, ficará muito caro na produção e, nesse sentido, também haverá uma perda significativa em relação às baterias químicas, cuja produção é muito mais simples.

Para um lanche, uma pequena pesquisa. Agora que todos os detalhes são conhecidos sem o telefone danificado, o que você acha que é mais?

Source: https://habr.com/ru/post/pt399649/

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