211service.com
Ett kvantsprång i batteridesign
Ett digitalt kvantbatterikoncept som föreslagits av en fysiker vid University of Illinois i Urbana-Champaign skulle kunna ge en dramatisk ökning av energilagringskapaciteten - om den uppfyller sin teoretiska potential när den väl byggts.
Konceptet kräver miljarder kondensatorer i nanoskala och skulle förlita sig på kvanteffekter - de konstiga fenomen som uppstår på atomstorleksskala - för att öka energilagringen. Konventionella kondensatorer består av ett par ledande plattor i makroskala, eller elektroder, åtskilda av ett isolerande material. När en spänning appliceras skapas ett elektriskt fält i isoleringsmaterialet som lagrar energi. Men alla sådana enheter kan bara hålla så mycket laddning, bortom vilken ljusbåge uppstår mellan elektroderna, vilket slösar bort den lagrade kraften.
Om kondensatorer istället byggdes som arrayer i nanoskala – avgörande, med elektroder placerade på cirka 10 nanometer (eller 100 atomer) från varandra – borde kvanteffekter undertrycka sådan ljusbågbildning. I flera år har forskare insett att kondensatorer i nanoskala uppvisar ovanligt stora elektriska fält, vilket tyder på att den lilla skalan på enheterna var ansvarig för att förhindra energiförlust. Men folk insåg inte att ett stort elektriskt fält betyder en stor energitäthet och kan användas för energilagring som vida skulle överträffa allt vi har idag, säger Alfred Hubler, fysiker i Illinois och huvudförfattare till en papper beskriver konceptet, som kommer att publiceras i tidskriften Komplexitet .
Hubler hävdar att den resulterande effekttätheten (hastigheten med vilken energi kan lagras eller frigöras) kan vara storleksordningar större, och energitätheten (mängden energi som kan lagras) två till 10 gånger större än vad som är möjligt med dagens bästa litium -jon och andra batteriteknologier.
Dessutom kan digitala kvantbatterier tillverkas med hjälp av befintliga litografiska chiptillverkningstekniker med hjälp av billiga, giftfria material, som järn och volfram, ovanpå ett kiselsubstrat, säger han. De resulterande enheterna skulle i princip slösa lite eller ingen energi eftersom de absorberade och frigjorde elektroner. Hubler säger att det kan vara möjligt att bygga en bänkprototyp på ett år.
Idag är dock digitala kvantbatterier bara ett patentsökt forskningskoncept. Hubler har ansökt om medel från Defense Advanced Research Projects Agency för att utveckla en sådan prototyp, men konceptet innebär betydande utmaningar. Det är inte klart att de nanotillverkade materialen inte skulle gå sönder när de väl är laddade med energi, säger Joel schindall , professor i elektroteknik vid MIT.
Men Schindall säger också att konceptet har förtjänst. Jag är försiktigt fascinerad, eftersom han har några legitima argument för det faktum att energilagringseffekten vid dessa kvantdimensioner åtminstone förutspås öka avsevärt, säger Schindall. Den första utmaningen är: är hans antaganden korrekta, eller finns det några andra fenomen som inte har tittats på som står i vägen?
På vissa sätt representerar konceptet en variation på befintliga mikro- och nanoelektroniska enheter. Om du tittar på det ur ett digitalt elektronikperspektiv - det är bara en flash-enhet, säger Hubler. Om man ser det ur ett elektrotekniskt perspektiv skulle man säga att det här är miniatyriserade vakuumrör som i plasma-TV. Om du pratar med en fysiker är detta ett nätverk av kondensatorer.
Den digitala delen av konceptet härrör från det faktum att varje nanovakuumrör skulle vara individuellt adresserbart. På grund av detta kan enheterna kanske också användas för att lagra data.
Det finns andra metoder för att öka prestanda hos kondensatorer. Avancerade versioner, kallade ultrakondensatorer, kan lagra betydande energi och fungera snabbare genom att öka ytan på deras elektroder och använda en elektrolyt. Schindalls grupp har ökat laddnings- och urladdningshastigheterna och lagringskapaciteten för traditionella ultrakondensatorer genom att använda kolnanorör istället för aktivt kol på elektrodens yta. I huvudsak ökar detta elektrodens yta.
Fördelarna med Schindalls design – ökad effekt och energitäthet – kan vara avgörande för applikationer som att snabbt suga upp enorma energipulser från ett fält av vindkraftverk eller solpaneler, till exempel. Dessutom har hans team faktiskt byggt en bänkenhet. Nackdelen är att energitätheten för en given materialmassa fortfarande skulle vara något lägre än för litiumjonbatterier.
Medan Hubler ännu inte har byggt något, noterar han att 2005 visade en grupp koreanska forskare att kondensatorer i nanoskala kunde tillverkas. Hublers enhet skulle dock fortfarande behöva miljarder eller till och med biljoner sådana enheter.
Jag håller helt med om att vi desperat behöver nya sätt att lagra elektrisk energi, säger Schindall. Även om det kanske konkurrerar med vad jag gör, önskar jag honom lycka till och hoppas att det fungerar.