Химики-материаловеды годами пытались создать новый тип батареи, которая могла бы хранить солнечную или другую энергию света в химических связях, а не в электронах, которая будет высвобождать энергию по запросу в виде тепла вместо электричества - удовлетворение потребности в долгосрочном, стабильном и эффективном хранении солнечной энергии.
Теперь группа химиков-материаловедов из Массачусетского университета в Амхерсте под руководством Дхандапани Венкатарамана с докторской степенью. Студент D. и первый автор Сын Пё Чжон, доктор философии. Студенты Ларри Ренна, Коннор Бойл и другие сообщают, что они решили одну из основных проблем в этой области, разработав систему на основе полимера. Он может обеспечить плотность хранения энергии - количество хранимой энергии - более чем в два раза выше, чем у предыдущих полимерных систем. Подробности опубликованы в текущем выпуске Scientific Reports.
Венкатараман и Бойл говорят, что предыдущая высокая плотность накопления энергии, достигнутая в полимерной системе, находилась в диапазоне 200 Дж на грамм, в то время как их новая система способна достигать в среднем 510 Дж на грамм, с максимальным 690. Венкатараман говорит: «Теория говорит, что мы должны быть в состоянии достичь 800 Дж на грамм, но никто не смог этого сделать. В этой статье сообщается, что мы достигли одной из самых высоких плотностей энергии на грамм в полимерной системе, и как мы сделали это."
Авторы говорят, что по мере улучшения плотности накопления энергии - а благодаря их работе она теперь приближается к емкости литиевых батарей - приложения для новой технологии включают такие возможности, как солнечные панели, которые собирают энергию от солнца днем, затем храните его для разогрева пищи, жилых помещений, одежды или одеял на ночь. Бойл отмечает, что такой подход будет особенно ценен в районах, где нет доступа к электросети.
Венкатараман говорит, что достижение его группы, вероятно, было бы невозможно без более ранней теоретической работы Джеффри Гроссмана в Массачусетском технологическом институте: «Без его статьи и его мыслей о теории, я не думаю, что мы достигли бы того, что мы имеем сегодня.. Гроссман предположил, что более высокой плотности энергии можно было бы достичь, если бы обычно используемое соединение, молекулы азобензола, располагались вдоль жесткой углеродной нанотрубки. Эта структура позволит ученым манипулировать молекулярными взаимодействиями, которые определяют, сколько энергии поглощается и высвобождается.
Венкатараман объясняет: «Мы поняли идею управления компоновкой, но подумали: а что, если использовать гибкий полимер, а не жесткую трубку? Потому что с углеродной нанотрубкой нельзя уменьшить расстояние между молекулами. Мы думали, что структура полимерной цепи позволит азобензольным группам приблизиться друг к другу и взаимодействовать, в результате чего они приобретут энергию и станут более стабильными».
Их идея сработала, добавляет он, «но мы не понимали почему. Открытие было неожиданным, поэтому мы не могли останавливаться на достигнутом. Каждый раз, когда мои ученики приходили ко мне с необъяснимо большими числами, я отправлял их обратно. провести больше контрольных экспериментов, чтобы понять и подтвердить результаты. Мы были настроены скептически, потому что получили необычный результат».
Венкатарам говорит: «Изюминка этой истории в том, что мы думали, что расстояние между огнями в струне было самым важным. Это важно, но еще важнее то, как несколько струн и их огни Выяснилось, что используемый нами технологический растворитель упорядочивает и регулирует архитектуру, поэтому молекулы азобензола, присоединенные к полимеру, расположены очень аккуратно и компактно. В основном это обеспечивает максимальную плотность упаковки».
Они использовали растворитель тетрагидрофуран (ТГФ) для этой обработки «просто потому, что это хороший растворитель для этой полимерной системы», - говорит Бойл, не подозревая, что это повлияет на то, сколько энергии сохраняется и позже высвобождается, когда мы только начинали.
Венкатараман говорит: «В этой статье рассказывается о том, как на молекулярном уровне ТГФ влияет на энергию, которую мы видим в макромасштабе. Все начинается с того, как молекула растворителя взаимодействует с полимером, и оказывается, что это связано с молекулярной упаковкой, с тем, как они расположены в пространстве. Когда молекулы правильно упакованы, они могут получить больше энергии. На это ушло два года работы, но мы, наконец, смогли показать, что это правда."
Он добавляет, что сотрудничество с учеными из Schrödinger, Inc., компании, занимающейся научным программным обеспечением и решениями, базирующейся в Нью-Йорке, также сыграло ключевую роль в том, чтобы помочь ученым Университета Массачусетса в Амхерсте понять происхождение наблюдаемого накопления высокой энергии. плотности. Под руководством Шона Квака, ведущего специалиста по прикладным программам в компании Schrödinger, совместно с экспертами в области технологии силового поля Эдом Хардером и Вольфгангом Даммом проект получил необходимую поддержку со стороны компании.
Квак говорит: «Работа напрямую с учеными с экспериментальным опытом на самом высоком уровне всегда ценится в Schrödinger очень высоко». Он подчеркивает синергетический эффект, который наблюдал на собственном опыте на протяжении всего сотрудничества. «Это дает нам прекрасную возможность продемонстрировать мощь вычислительной химии на грани самых инновационных идей, как показано в этой работе».
Материалисты планируют продолжить это открытие работой по решению некоторых практических проблем, связанных с зарядкой системы, поэтому они еще не сделали батарею, но это будет. Эта работа была поддержана UMass Amherst.