Большие планы по спасению планеты зависят от наноматериалов

Задача построения энергетического будущего, которое сохраняет и улучшает планету, является огромным мероприятием. Но все это зависит от заряженных частиц, движущихся сквозь невидимые мелкие материалы.

Наноматериалы для аккумуляторов будущего
Ученые и политики признали необходимость срочного и существенного изменения мировых механизмов производства и потребления энергии, чтобы остановить движение к экологическим катаклизмам. Коррекция курса такого масштаба, безусловно, устрашает, но новый отчет в журнале Science предполагает, что технологический путь к достижению устойчивости уже проложен, это просто вопрос выбора.

В докладе, подготовленном международной группой исследователей, изложено, каким образом исследования в области наноматериалов для хранения энергии за последние два десятилетия позволили сделать большой шаг, который будет необходим для использования устойчивых источников энергии.

«Большинство самых больших проблем, стоящих перед стремлением к устойчивости, могут быть связаны с необходимостью лучшего хранения энергии», — сказал Юрий Гогоци, доктор философии из университета Дрекселя и ведущий автор работы. «Будь то более широкое использование возобновляемых источников энергии, стабилизация электросетей, управление потребностями в энергии наших вездесущих интеллектуальных  технологий или переход нашего транспорта к электричеству.  

Вопрос, с которым мы сталкиваемся, заключается в том, как улучшить технологию хранения и распределения энергии. После десятилетий исследований и разработок, ответ на этот вопрос может быть предложен наноматериалами».

Авторы представляют всесторонний анализ состояния исследований в области накопления энергии с использованием наноматериалов и предлагают направление, в котором должны развиваться исследования и разработки, чтобы технология достигла основной жизнеспособности.

Проблема интеграции возобновляемых ресурсов в нашу энергосистему состоит в том, что трудно управлять спросом и предложением энергии, учитывая непредсказуемую природу. Таким образом, необходимы огромные устройства накопления энергии для размещения всей энергии, которая генерируется, когда светит солнце и дует ветер, а затем может быстро потребляться во время периодов высокого спроса энергии.

«Чем лучше мы станем улавливать и хранить энергию, тем больше мы сможем использовать возобновляемые источники энергии, которые имеют прерывистый характер», — сказал Гогоци.

«Батареи похожи на фермерский ангар, если он недостаточно большой и сконструирован таким образом, чтобы сохранить урожай, то будет сложно пережить долгую зиму. В энергетической отрасли сейчас можно сказать, что мы все еще пытаемся построить правильный бункер для нашего урожая, и именно в этом могут помочь наноматериалы «.

Наноматериалы позволяют ученым переосмыслить конструкцию батареи, которая будет играть ключевую роль в будущем накопления энергии.

Устранение проблемы с накоплением энергии было согласованной целью для ученых, которые применяют инженерные принципы для создания материалов и управления ими на атомном уровне. Их усилия только за последнее десятилетие, о которых говорилось в отчете, уже улучшили аккумуляторы для смартфонов, ноутбуков и электромобилей.

«Многие из наших самых больших достижений в области накопления энергии за последние годы связаны с интеграцией наноматериалов», — сказал Гогоци. «Литий-ионные аккумуляторы уже используют углеродные нанотрубки в качестве проводящих добавок в электродах аккумуляторов, чтобы они заряжались быстрее и дольше.

И все большее количество аккумуляторов использует нанокремниевые частицы в своих анодах для увеличения количества запасаемой энергии. Внедрение наноматериалов является постепенным процессом, и в будущем мы увидим все больше наноразмерных материалов внутри батарей».

Долгое время конструкция батареи основывалась, главным образом, на поиске прогрессивно более качественных энергетических материалов и их комбинаций для хранения большего количества электронов. Но в последнее время технологические разработки позволили ученым сконструировать материалы для устройств накопления энергии, которые улучшают функции передачи и хранения.

Этот процесс, называемый наноструктурированием, вводит частицы, трубки, хлопья и стопки наноразмерных материалов в качестве новых компонентов батарей, конденсаторов и суперконденсаторов. Их форма и атомная структура могут ускорить поток электронов — сердцебиение электрической энергии. А их большая площадь поверхности обеспечивает больше мест для отдыха заряженных частиц.

Эффективность наноматериалов даже позволила ученым переосмыслить основные конструкции самих батарей. Благодаря металлически проводящим наноструктурным материалам, обеспечивающим возможность свободного потока электронов во время зарядки и разрядки, батареи могут потерять значительную часть веса и размера, исключив токосъемники из металлической фольги, которые необходимы в обычных батареях.

В результате их форма больше не является ограничивающим фактором для устройств, на которые они работают.

Аккумуляторы разряжаются, заряжаются быстрее и изнашиваются медленно, но они также могут быть массивными, заряжаться постепенно, накапливать огромное количество энергии в течение длительных периодов времени и выдавать ее по требованию.

«Это очень интересное время для работы в области наноразмерных материалов для накопления энергии», — сказала Екатерина Померанцева, кандидат технических наук, доцент инженерного колледжа и соавтор статьи. «Сейчас у нас больше наночастиц, чем когда-либо, и с различным составом, формой и хорошо известными свойствами.

Эти наночастицы подобны блокам Lego, и их необходимо разумным образом соединить, чтобы создать инновационную структуру с превосходными эксплуатационными характеристиками. Любое текущее устройство накопления энергии.

Что делает эту задачу еще более увлекательной, так это тот факт, что в отличие от Legos, не всегда ясно, как различные наночастицы могут быть объединены для создания стабильных архитектур. И так как эти желательные наноразмерные архитектуры становятся все более и более продвинутыми, эта задача становится все более и более сложной.

Создание сложной архитектуры электродов с использованием наноматериалов требует инновационных производственных подходов, таких как осаждение распылением.

Гогоци и его соавторы предполагают, что использование перспективных наноматериалов потребует обновления некоторых производственных процессов и продолжения исследований того, как обеспечить стабильность материалов при увеличении их размеров.

«Стоимость наноматериалов по сравнению с обычными материалами является серьезным препятствием, и необходимы недорогие и масштабные технологии производства», — сказал Гогоци. «Но это уже было сделано для углеродных нанотрубок с производством сотен тонн для нужд аккумуляторной промышленности в Китае.

Предварительная обработка наноматериалов таким способом позволила бы использовать современное оборудование для производства аккумуляторов».

Они также отмечают, что использование наноматериалов устранит необходимость в определенных токсичных материалах, которые были ключевыми компонентами в батареях. Но они также предлагают установить экологические стандарты для будущего развития наноматериалов.

«Всякий раз, когда ученые рассматривают новые материалы для хранения энергии, они всегда должны учитывать токсичность для людей и окружающей среды, в том числе в случае случайного пожара, сжигания или попадания в отходы», — сказал Гогоци.

По мнению авторов, все это означает, что нанотехнологии делают накопление энергии достаточно универсальным, чтобы развиваться с изменением источников энергии, к которому призывают перспективные стратегии. 

опубликовано econet.ru по материалам techxplore.com