Эта интригующая перспектива является одной из причин нынешнего интереса к наращиванию емкости для хранения электроэнергии непосредственно в широком спектре продуктов, таких как ноутбук, корпус которого служит его аккумулятором, или электромобиль, работающий от энергии, хранящейся в его шасси. или дом, где сухая стена и сайдинг накапливают электричество, которое питает свет и бытовые приборы.Это также делает маленькие тускло-серые пластинки, которые аспирант Эндрю Вестовер и доцент кафедры машиностроения Кэри Пинт сделали в Лаборатории наноматериалов и энергетических устройств Вандербильта, гораздо более важными, чем предполагает их невзрачный внешний вид.«Эти устройства демонстрируют — впервые, насколько мы можем судить, — что можно создавать материалы, которые могут накапливать и разряжать значительное количество электричества, когда они подвергаются реалистичным статическим нагрузкам и динамическим силам, таким как вибрации или — сказал Пинт. «Эндрю сумел воплотить в жизнь нашу мечту о конструкционных материалах для хранения энергии».Это важно, потому что структурное накопление энергии изменит способ разработки самых разнообразных технологий в будущем. «Когда вы можете интегрировать энергию в компоненты, используемые для создания систем, это открывает дверь в совершенно новый мир технологических возможностей.
Внезапно способность разрабатывать технологии на основе здоровья, развлечений, путешествий и социального общения станет не ограничиваться вилками и внешними источниками питания », — сказал Пинт.Новое устройство, которое разработали Пинт и Вестовер, представляет собой суперконденсатор, который накапливает электричество, собирая электрически заряженные ионы на поверхности пористого материала, вместо того, чтобы сохранять его в химических реакциях, как это делают батареи.
В результате суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться за минуты, а не за часы, и работать в течение миллионов циклов вместо тысяч циклов, как батареи.В статье, опубликованной 19 мая в журнале Nano Letters, Pint и Westover сообщают, что их новый структурный суперконденсатор безупречно накапливает и высвобождает электрический заряд, находясь под воздействием напряжений или давлений до 44 фунтов на квадратный дюйм и вибрационных ускорений более 80 g (значительно больше, чем действующие на лопатки турбин реактивного двигателя).Кроме того, механическая прочность устройства не снижает его способности аккумулировать энергию. «В неупакованном, структурно интегрированном состоянии наш суперконденсатор может хранить больше энергии и работать при более высоких напряжениях, чем упакованный серийный коммерческий суперконденсатор, даже при интенсивных динамических и статических силах», — сказал Пинт.
Одна из областей, в которой суперконденсаторы отстают от батарей, — это способность аккумулировать электроэнергию: суперконденсаторы должны быть больше и тяжелее, чтобы хранить такое же количество энергии, как литий-ионные батареи. Однако при рассмотрении многофункциональных систем накопления энергии разница не так важна.«Показатели производительности батареи меняются, когда вы помещаете накопитель энергии в тяжелые материалы, которые уже необходимы для обеспечения структурной целостности», — сказал Пинт. «Суперконденсаторы хранят в десять раз меньше энергии, чем современные литий-ионные батареи, но они могут служить в тысячу раз дольше.
Это означает, что они лучше подходят для структурных применений. Нет смысла разрабатывать материалы для строительства дома, автомобильного шасси, или аэрокосмический аппарат, если вам придется заменять их каждые несколько лет, потому что они выходят из строя ».Пластины Вестовера состоят из электродов, сделанных из кремния, которые были химически обработаны, поэтому они имеют наноразмерные поры на их внутренней поверхности, а затем покрыты защитным ультратонким графеноподобным слоем углерода. Между двумя электродами зажата полимерная пленка, которая действует как резервуар заряженных ионов, подобно электролитной пасте в батарее.
Когда электроды прижимаются друг к другу, полимер просачивается в крошечные поры почти так же, как расплавленный сыр впитывается в укромные уголки и трещины домашнего хлеба в панини. Когда полимер охлаждается и затвердевает, он образует чрезвычайно прочную механическую связь.«Самая большая проблема при разработке несущих суперкапсов — предотвратить их расслоение», — сказал Вестовер. «Комбинация нанопористого материала с полимерным электролитом связывает слои вместе прочнее, чем суперклей».Использование кремния в конструкционных суперконденсаторах лучше всего подходит для бытовой электроники и солнечных элементов, но Пинт и Вестовер уверены, что правила, определяющие несущий характер их конструкции, будут применены и к другим материалам, таким как углеродные нанотрубки и легкие пористые материалы. металлы, такие как алюминий.
Интенсивность интереса к «многофункциональным» устройствам такого рода отражается в том факте, что Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США инвестирует 8,7 миллиона долларов в исследовательские проекты, которые сосредоточены именно на включении накопителей энергии в конструкционные материалы. Также в последнее время в прессе появились сообщения о нескольких крупных усилиях по разработке многофункциональных материалов или конструкционных батарей для использования в электромобилях и для военных целей.
Тем не менее, Пинт указал, что в технической литературе не было сообщений об испытаниях конструкционных энергоаккумулирующих материалов, которые показывали бы, как они функционируют при реальных механических нагрузках.В проекте участвовали Амрутур Анилкумар, профессор практики в области машиностроения, доцент Шахана Чаттерджи, аспирант Лэндон Оукс, бакалавры машиностроения Джон Тиан, Шивапрем Бернат и Фархан Нур Шабаб, а также старшеклассник Роб Эдвардс.