Задача построения энергетического будущего, которое сохранит и улучшит планету, является масштабной задачей. Но все зависит от заряженных частиц, движущихся через невидимо малые материалы.
Ученые и политики признали необходимость срочного и существенного сдвига в мировых механизмах производства и потребления энергии, чтобы остановить ее движение к экологическому катаклизму. Коррекция курса такого масштаба, безусловно, обескураживает, но новый отчет в журнале Science предполагает, что технологический путь к достижению устойчивости уже проложен, и остается только выбрать, следовать ли ему.
Отчет, подготовленный международной группой исследователей, описывает, как 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 серьезных проблем, с которыми сталкивается стремление к устойчивому развитию, могут быть связаны с необходимостью лучшего хранения энергии», - сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный профессор Университета Баха в Инженерном колледже Университета Дрекселя и ведущий автор. бумаги. «Будь то более широкое использование возобновляемых источников энергии, стабилизация электросети, управление потребностями в энергии наших вездесущих интеллектуальных и подключенных технологий или переход нашего транспорта на электричество - вопрос, с которым мы сталкиваемся, заключается в том, как улучшить технологию хранения и распределения энергии. После десятилетий исследований и разработок ответ на этот вопрос могут дать наноматериалы».
Авторы представляют всесторонний анализ состояния исследований в области накопления энергии с использованием наноматериалов и предлагают направление, в котором должны двигаться исследования и разработки, чтобы технология достигла основной жизнеспособности.
Джем
Большинство планов по обеспечению устойчивости энергетики - от «Зеленого нового курса» до Парижского соглашения и различных региональных политик по выбросам углерода - утверждают необходимость ограничения потребления энергии при одновременном использовании новых возобновляемых источников, таких как солнечная энергия и ветер. сила. Узким местом для обоих этих усилий является потребность в более совершенных технологиях хранения энергии.
Проблема с интеграцией возобновляемых ресурсов в нашу энергосистему заключается в том, что трудно управлять спросом и предложением энергии, учитывая непредсказуемый характер… природы. Таким образом, необходимы массивные накопители энергии, чтобы вместить всю энергию, которая вырабатывается, когда светит солнце и дует ветер, а затем иметь возможность быстро распределять ее в периоды высокого энергопотребления.
«Чем лучше мы будем собирать и хранить энергию, тем больше мы сможем использовать возобновляемые источники энергии, которые по своей природе прерывисты», - сказал Гогоци. «Аккумуляторы подобны бункеру для фермера: если он недостаточно велик и сконструирован таким образом, чтобы сохранить урожай, то может быть трудно пережить долгую зиму. В энергетике сейчас можно сказать, что мы все еще мы пытаемся построить бункер, подходящий для нашего урожая, и в этом могут помочь наноматериалы».
Исправление
Преодоление тупика, связанного с хранением энергии, было согласованной целью ученых, применяющих инженерные принципы для создания материалов и управления ими на атомном уровне. Их усилия только за последнее десятилетие, о которых говорится в отчете, уже позволили улучшить аккумуляторы для смартфонов, ноутбуков и электромобилей.
«Многие из наших величайших достижений в области хранения энергии за последние годы стали результатом интеграции наноматериалов», - сказал Гогоци.«Литий-ионные аккумуляторы уже используют углеродные нанотрубки в качестве проводящих добавок в электродах аккумуляторов, чтобы они заряжались быстрее и работали дольше. И все большее число аккумуляторов используют частицы нанокремния в своих анодах для увеличения количества хранимой энергии.
Внедрение наноматериалов - это постепенный процесс, и в будущем мы увидим все больше и больше наноразмерных материалов внутри аккумуляторов».
Дизайн батареи в течение долгого времени основывался в первую очередь на поиске все более качественных материалов и их комбинировании для хранения большего количества электронов. Но в последнее время технологические разработки позволили ученым разрабатывать материалы для устройств хранения энергии, чтобы лучше выполнять эти функции передачи и хранения.
Этот процесс, называемый наноструктурированием, представляет 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 базовую конструкцию самих батарей. Металлопроводящие наноструктурированные материалы обеспечивают свободный поток электронов во время заряда и разряда, поэтому батареи могут значительно снизить вес и размер за счет отказа от токосъемников из металлической фольги, которые необходимы в обычных батареях. В результате их форма больше не является ограничивающим фактором для питаемых ими устройств.
Батарейки становятся меньше, заряжаются быстрее, служат дольше и изнашиваются медленно, но они также могут быть большими, заряжаться постепенно, хранить огромное количество энергии в течение длительных периодов времени и распределять ее по требованию.
«Это очень интересное время для работы в области наноразмерных материалов для хранения энергии», - сказала Екатерина Померанцева, кандидат технических наук, доцент инженерного колледжа и соавтор статьи.«Теперь у нас есть больше доступных наночастиц, чем когда-либо - и с различным составом, формой и хорошо известными свойствами. Эти наночастицы точно такие же, как блоки Lego, и их нужно грамотно скомпоновать, чтобы создать инновационную структуру с характеристиками, превосходящими любое текущее устройство хранения энергии. Что делает эту задачу еще более увлекательной, так это тот факт, что, в отличие от Lego, не всегда ясно, как различные наночастицы могут быть объединены для создания устойчивых архитектур. И по мере того, как эти желаемые наноархитектуры становятся все более и более совершенными, эта задача становится все более и более сложной задачей, пробуждая критическое мышление и творческий потенциал ученых».
Будущее
Гогоци и его соавторы предполагают, что использование перспектив наноматериалов потребует обновления некоторых производственных процессов и продолжения исследований о том, как обеспечить стабильность материалов при увеличении их размера.
«Стоимость наноматериалов по сравнению с обычными материалами является серьезным препятствием, и необходимы недорогие и крупномасштабные 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 образом позволила бы использовать современное оборудование для производства аккумуляторов».
Они также отмечают, что использование наноматериалов устранит необходимость в определенных токсичных материалах, которые были ключевыми компонентами аккумуляторов. 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 человека и окружающей среды, а также в случае случайного возгорания, сжигания или сброса в отходы», - сказал Гогоци.
Все это означает, по мнению авторов, то, что нанотехнологии делают хранение энергии достаточно универсальным, чтобы развиваться вместе с изменениями в источниках энергии, к которым призывают перспективные политики.