211service.com
Et kvantespring i batteridesign
Et digitalt kvantebatteri-koncept foreslået af en fysiker ved University of Illinois i Urbana-Champaign kunne give et dramatisk løft i energilagringskapacitet - hvis det opfylder sit teoretiske potentiale, når det først er bygget.
Konceptet kræver milliarder af kondensatorer i nanoskala og vil stole på kvanteeffekter - de mærkelige fænomener, der opstår på atomare størrelsesskalaer - for at øge energilagringen. Konventionelle kondensatorer består af et par makroskala ledende plader eller elektroder, adskilt af et isolerende materiale. Påføring af en spænding skaber et elektrisk felt i det isolerende materiale, der lagrer energi. Men alle sådanne enheder kan kun holde så meget ladning, ud over hvilken der opstår lysbuer mellem elektroderne, hvilket spilder den lagrede strøm.
Hvis kondensatorer i stedet blev bygget som arrays i nanoskala - afgørende med elektroder med en afstand på omkring 10 nanometer (eller 100 atomer) fra hinanden - burde kvanteeffekter undertrykke en sådan buedannelse. I årevis har forskere erkendt, at kondensatorer i nanoskala udviser usædvanligt store elektriske felter, hvilket tyder på, at enhedernes lille skala var ansvarlig for at forhindre energitab. Men folk var ikke klar over, at et stort elektrisk felt betyder en stor energitæthed og kunne bruges til energilagring, der langt ville overgå alt, hvad vi har i dag, siger Alfred Hubler, fysiker i Illinois og hovedforfatter af en papir skitserer konceptet, der offentliggøres i tidsskriftet Kompleksitet .
Hubler hævder, at den resulterende effekttæthed (hastigheden, hvormed energi kan lagres eller frigives) kan være størrelsesordener større, og energitætheden (mængden af energi, der kan lagres) to til 10 gange større end muligt med nutidens bedste lithium -ion og andre batteriteknologier.
Hvad mere er, digitale kvantebatterier kunne fremstilles ved hjælp af eksisterende litografiske chip-fremstillingsteknologier ved hjælp af billige, ikke-toksiske materialer, såsom jern og wolfram, oven på et siliciumsubstrat, siger han. De resulterende enheder ville i princippet spilde lidt eller ingen energi, da de absorberede og frigav elektroner. Hubler siger, at det kan være muligt at bygge en bordprototype på et år.
I dag er digitale kvantebatterier dog blot et patentanmeldt forskningskoncept. Hubler har ansøgt om støtte fra Defense Advanced Research Projects Agency til at udvikle en sådan prototype, men konceptet byder på betydelige udfordringer. Det er ikke klart, at de nanofremstillede materialer ikke ville bryde ned, når de først er fyldt med energi, siger Joel schindall , professor i elektroteknik ved MIT.
Men Schindall siger også, at konceptet har fordel. Jeg er forsigtigt fascineret, for han har nogle legitime argumenter for, at ved disse kvantedimensioner forventes energilagringseffekten i det mindste at stige betydeligt, siger Schindall. Den første udfordring er: er hans antagelser korrekte, eller er der nogle andre fænomener, der ikke er blevet set på, der er i vejen?
På nogle måder repræsenterer konceptet en variation af eksisterende mikro- og nanoelektroniske enheder. Hvis du ser på det fra et digitalt elektronikperspektiv - det er bare et flashdrev, siger Hubler. Hvis du ser på det fra et elektroteknisk perspektiv, vil du sige, at det er miniaturiserede vakuumrør som i plasma-tv'er. Hvis du taler med en fysiker, er dette et netværk af kondensatorer.
Den digitale del af konceptet stammer fra det faktum, at hvert nanovakuumrør kan adresseres individuelt. På grund af dette kunne enhederne måske også bruges til at gemme data.
Der findes andre metoder til at øge ydelsen af kondensatorer. Avancerede versioner, kaldet ultrakondensatorer, kan lagre betydelig energi og fungere hurtigere ved at øge overfladearealet af deres elektroder og bruge en elektrolyt. Schindalls gruppe har øget opladnings- og afladningshastighederne og lagerkapaciteten af traditionelle ultrakondensatorer ved at bruge kulstofnanorør i stedet for aktivt kul på elektrodens overflade. I det væsentlige øger dette elektrodens overfladeareal.
Fordelene ved Schindalls design – øget effekt og energitæthed – kan være afgørende for applikationer som f.eks. at opsuge enorme pulser af energi hurtigt fra et felt af vindmøller eller solpaneler. Plus, hans team har faktisk bygget en benchtop-enhed. Ulempen er, at energitætheden af en given masse materiale stadig ville være noget lavere end for lithium-ion-batterier.
Mens Hubler endnu ikke har bygget noget, bemærker han, at en gruppe koreanske forskere i 2005 viste, at kondensatorer i nanoskala kunne fremstilles. Hublers enhed ville dog stadig have brug for milliarder eller endda billioner af sådanne enheder.
Jeg er fuldstændig enig i, at vi har desperat brug for nye måder at lagre elektrisk energi på, siger Schindall. Selvom det kan være i konkurrence med det, jeg laver, ønsker jeg ham al mulig held og lykke og håber, det virker.