Изображение предоставлено: Университет Дрексел

Когда дело доходит до перехода от использования ископаемого топлива к более чистой возобновляемой энергии, одной из трудностей является хранение и распределение избыточной энергии. Таким образом, вопрос, который вырисовывается для многих, состоит в том, как улучшить хранение и распределение энергии, чтобы двигаться к устойчивому будущему. Теперь команда исследователей утверждает, что наноматериалы могут обеспечить необходимый импульс для преодоления этого препятствия.

Опубликованная в журнале Science группа ученых из Университета Дрексел считает, что ускорение интеграции наноматериалов в системы накопления энергии является ключом к экономически эффективным решениям накопления энергии в массовом масштабе.

Большинство самых больших проблем, стоящих перед стремлением к устойчивости, могут быть связаны с необходимостью лучшего накопления энергии.

Профессор Юрий Гогоци, ведущий автор материаловедения и инженерии в Университете Дрекселя

Исследование показало, что благодаря включению наноматериалов в аккумуляторы может быть выброшена современная технология, использующая металлы, такие как медь или алюминий, в качестве сборщиков фольги. В результате получаются более легкие, более компактные батареи, которые могут заряжать и разряжать энергию с большей скоростью.

Аккумуляторы похожи на бункер фермера – если он недостаточно большой и сконструирован таким образом, чтобы сохранить урожай, тогда может быть трудно пережить долгую зиму. В энергетической отрасли сейчас вы можете сказать, что мы все еще пытаемся создать правильный бункер для нашего урожая – и именно здесь наноматериалы могут помочь.

Профессор Юрий Гогоци

Наноматериалы предлагают ученым новую возможность представить новые возможности для будущего накопления энергии в батареях. Внедрив процесс, известный как наноструктурирование, исследователи могут ввести стопки наноразмерных материалов в процесс проектирования обычных батарей и суперконденсаторов. Более того, наноматериалы могут усиливать поток электронов благодаря своей атомной структуре и форме: большая площадь поверхности создает эффективную систему для хранения заряженных частиц.

Тем не менее, хотя это захватывающее время для исследований в области наноматериалов и накопления энергии, новые стратегии являются ключевыми при попытке реализовать построение наночастиц в архитектуру с управляемой геометрией. «Сейчас у нас больше наночастиц, чем когда бы то ни было, – с различным составом, формой и хорошо известными свойствами. Эти наночастицы аналогичны блокам Lego, и их необходимо разумно объединить, чтобы создать инновационную структуру с характеристиками, превосходящими любые существующие устройства накопления энергии »– сказала Екатерина Померанцева, доцент в Drexel College в инженерный отдел и соавтор исследования.

Однако, в отличие от Lego, структурирование наноматериалов является особенно сложной задачей, так как может быть трудно определить, какие наночастицы могут быть связаны для создания стабильных архитектур.

По мере того, как эти желательные наноразмерные архитектуры становятся все более и более продвинутыми, эта задача становится все более и более сложной, вызывая критическое мышление и творческий потенциал ученых.

Екатерина Померанцева, доцент и соавтор исследования, инженерный факультет, Дрексельский колледж

Еще одной проблемой, с которой сталкиваются, является масштабирование и разработка новой технологии для коммерческого производства. Это связано с тем, что адаптация и внедрение применения наноматериалов в обычное производство элементов аккумуляторных батарей может означать дорогостоящий пересмотр технологий, которые используются более 50 лет.

Тем не менее, хотя общепринято мнение, что наноматериалы слишком дороги для массового производства. Гогоци заявил : «Это уже было сделано для углеродных нанотрубок с производством сотен тонн для нужд аккумуляторной промышленности в Китае. Таким образом, предварительная обработка наноматериалов позволила бы использовать современное оборудование для производства батарей ».

Кроме того, Гогоци и его команда также подчеркивают тот факт, что использование наноматериалов и внедрение их технологии в промышленное производство приведет к уничтожению некоторых токсичных отходов, содержащихся в обычных батареях. «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 сброса в отходы», – сказал Гогоци.

Другие предприятия, также исследующие решения для хранения энергии, включают Megapack Tesla и PowerStore ABB ^TM поскольку предпринимаются попытки найти более устойчивые энергетические решения, которые помогают, а не разрушают планету. Отказ от использования материалов, традиционно используемых в батареях, а также от сжигания ископаемого топлива позволил бы решить лишь некоторые из многих экологических проблем, с которыми мы сталкиваемся сегодня.