15 июля 2020 OilPrice.com
Прогресс в области возобновляемых источников энергии и электрического транспорта побудил ученых искать способы решения проблемы эффективного хранения и накопления энергии, которое имеет ключевое значение для внедрения технологий экологически безопасной энергетики.
Большинство исследований на протяжении последних десятилетий сосредоточено на совершенствовании электрических батарей. Они ставят перед собой задачу сделать литий-ионные батареи более безопасными и эффективными и заменить дорогостоящие редкие химические элементы в аккумуляторах более дешевыми. Так или иначе, большинство предыдущих исследований были посвящены химическим способам сохранения энергии и электрохимическим реакциям в батареях.
В настоящее время исследователи из Квинслендского технологического университета (QUT) в Австралии предлагают конструкцию, основанную на использовании механических свойств наноструктур, содержащих алмазы, которые могут быть применены в устройствах для аккумулирования механической энергии, включая батареи, биомедицинские сенсорные системы, портативные приборы, а также небольшие робототехнические аппараты и электронику.
Уникальные механические свойства пучка алмазных нановолокон позволяют ему сохранять и выделять энергию при растяжении и скручивании. Эти пучки состоят из одномерных карбоновых нитей.
«Подобно сжатой пружине в детской заводной игрушке, энергия может высвобождаться при раскручивании витого пучка» – поясняет доктор Хайфэй Чжань из Центра материаловедения QUT. Чжань и его коллеги обнаружили, что алмазные пучки обладают высокой плотностью энергии, или энергоемкостью. Этот показатель представляет собой соотношение энергии системы с его массой. Команда ученых успешно смоделировала возможности накопления и высвобождения энергии пучком нановолокон и опубликовала свою исследовательскую работу в журнале Nature Communications.
Созданная ими модель является лишь первым шагом в исследовании потенциала аккумулирования механической энергии по сравнению с электрохимической. В настоящее время австралийские ученые планируют разработать экспериментальную наноразмерную механическую энергосистему в качестве прототипа, а следующие два-три года они посвятят созданию системы, которая будет осуществлять управление скручиванием и растягиванием пучка нановолокон.
Несмотря на то, что исследования алмазных нановолокон находятся на самых ранних стадиях, первые эксперименты привели к весьма многообещающим результатам. По словам исследователей из Квинслендского технологического университета, по сравнению с литий-ионными батареями алмазный пучок нановолокон имеет в три раза большую энергоемкость.
«Материалы с высокой энергоемкостью имеют огромное значение для решения самых разных задач, поэтому мы всегда ищем материалы с низкой плотностью, которые при этом могут хранить большое количество энергии», – сказал доктор Чжань.
Высокая энергоемкость и малый вес используемых материалов могут привести к крупному прорыву в решении проблемы, над которой давно работают ученые всего мира: как «упаковать» большой энергетический потенциал в легкое аккумуляторное устройство.
Из-за своего малого веса алмазные нановолокна могут найти применение в аэрокосмической электронике. Исследователи из QUT говорят, что благодаря механической, а не электрохимической природе потенциала накопления энергии, пучки нановолокон могут быть использованы для имплантируемых биомедицинских сенсорных систем, контролирующих функции сердца и мозга. А что касается аккумуляторных батарей, механическая энергия была бы более безопасной, чем электрохимические реакции в литий-ионных батареях.
«В отличие от химических систем хранения энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы, в которых для хранения и выделения энергии используются электрохимические реакции, использование механической энергии само по себе связано с гораздо меньшими рисками», – сказал доктор Чжань.
Механические системы накопления энергии являются одним из многих относительно новых исследовательских проектов и инноваций в области хранения энергии. Ученые и их партнеры из инновационных компаний решили доказать, что тепло, гравитация и геотермальная энергия также могут накапливаться для последующего использования.
В то время как литий-ионные батареи в настоящее время являются наиболее популярным и широко применяемым решением для хранения энергии, вполне вероятно, что будущее за наноструктурами, использующими не электрохимическую, а механическую энергию.
По данным Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) Министерства энергетики США, постоянно снижающаяся себестоимость технологий, связанных с получением возобновляемой энергии, сопровождается ростом интереса к способам ее накопления и различным решениям, направленным на совершенствование систем хранения.
«Существует весьма распространенное заблуждение. Принято считать, что хранение энергии непременно должно быть связано с электрохимическими реакциями в аккумуляторной батарее, – говорит Адарш Нагарджан, руководитель группы по проектированию энергетических систем в NREL, которая работает над интеграцией возобновляемых источников в энергосети. – На самом деле это понятие гораздо шире, поскольку аккумулированию подлежат многие другие формы энергии».
Большинство исследований на протяжении последних десятилетий сосредоточено на совершенствовании электрических батарей. Они ставят перед собой задачу сделать литий-ионные батареи более безопасными и эффективными и заменить дорогостоящие редкие химические элементы в аккумуляторах более дешевыми. Так или иначе, большинство предыдущих исследований были посвящены химическим способам сохранения энергии и электрохимическим реакциям в батареях.
В настоящее время исследователи из Квинслендского технологического университета (QUT) в Австралии предлагают конструкцию, основанную на использовании механических свойств наноструктур, содержащих алмазы, которые могут быть применены в устройствах для аккумулирования механической энергии, включая батареи, биомедицинские сенсорные системы, портативные приборы, а также небольшие робототехнические аппараты и электронику.
Уникальные механические свойства пучка алмазных нановолокон позволяют ему сохранять и выделять энергию при растяжении и скручивании. Эти пучки состоят из одномерных карбоновых нитей.
«Подобно сжатой пружине в детской заводной игрушке, энергия может высвобождаться при раскручивании витого пучка» – поясняет доктор Хайфэй Чжань из Центра материаловедения QUT. Чжань и его коллеги обнаружили, что алмазные пучки обладают высокой плотностью энергии, или энергоемкостью. Этот показатель представляет собой соотношение энергии системы с его массой. Команда ученых успешно смоделировала возможности накопления и высвобождения энергии пучком нановолокон и опубликовала свою исследовательскую работу в журнале Nature Communications.
Созданная ими модель является лишь первым шагом в исследовании потенциала аккумулирования механической энергии по сравнению с электрохимической. В настоящее время австралийские ученые планируют разработать экспериментальную наноразмерную механическую энергосистему в качестве прототипа, а следующие два-три года они посвятят созданию системы, которая будет осуществлять управление скручиванием и растягиванием пучка нановолокон.
Несмотря на то, что исследования алмазных нановолокон находятся на самых ранних стадиях, первые эксперименты привели к весьма многообещающим результатам. По словам исследователей из Квинслендского технологического университета, по сравнению с литий-ионными батареями алмазный пучок нановолокон имеет в три раза большую энергоемкость.
«Материалы с высокой энергоемкостью имеют огромное значение для решения самых разных задач, поэтому мы всегда ищем материалы с низкой плотностью, которые при этом могут хранить большое количество энергии», – сказал доктор Чжань.
Высокая энергоемкость и малый вес используемых материалов могут привести к крупному прорыву в решении проблемы, над которой давно работают ученые всего мира: как «упаковать» большой энергетический потенциал в легкое аккумуляторное устройство.
Из-за своего малого веса алмазные нановолокна могут найти применение в аэрокосмической электронике. Исследователи из QUT говорят, что благодаря механической, а не электрохимической природе потенциала накопления энергии, пучки нановолокон могут быть использованы для имплантируемых биомедицинских сенсорных систем, контролирующих функции сердца и мозга. А что касается аккумуляторных батарей, механическая энергия была бы более безопасной, чем электрохимические реакции в литий-ионных батареях.
«В отличие от химических систем хранения энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы, в которых для хранения и выделения энергии используются электрохимические реакции, использование механической энергии само по себе связано с гораздо меньшими рисками», – сказал доктор Чжань.
Механические системы накопления энергии являются одним из многих относительно новых исследовательских проектов и инноваций в области хранения энергии. Ученые и их партнеры из инновационных компаний решили доказать, что тепло, гравитация и геотермальная энергия также могут накапливаться для последующего использования.
В то время как литий-ионные батареи в настоящее время являются наиболее популярным и широко применяемым решением для хранения энергии, вполне вероятно, что будущее за наноструктурами, использующими не электрохимическую, а механическую энергию.
По данным Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) Министерства энергетики США, постоянно снижающаяся себестоимость технологий, связанных с получением возобновляемой энергии, сопровождается ростом интереса к способам ее накопления и различным решениям, направленным на совершенствование систем хранения.
«Существует весьма распространенное заблуждение. Принято считать, что хранение энергии непременно должно быть связано с электрохимическими реакциями в аккумуляторной батарее, – говорит Адарш Нагарджан, руководитель группы по проектированию энергетических систем в NREL, которая работает над интеграцией возобновляемых источников в энергосети. – На самом деле это понятие гораздо шире, поскольку аккумулированию подлежат многие другие формы энергии».
Не является индивидуальной инвестиционной рекомендацией | При копировании ссылка обязательна | Нашли ошибку - выделить и нажать Ctrl+Enter | Жалоба