تازه های فناوری نانو

نانوتکنولوژی، فناوری نوظهورویکی از اجزای کلیدی پیشرفت های فنی قرن حاضر است.به کار گیری مواد باساختارهایی برپایه ی ابعاد نانومتری ما را به سمت توسعه وارائه  ی راه حل های نوید بخش برای تولید محصولات برتردر آینده وبکارگیری پژوهش های انجام شده در این حوزه  رهنمون می سازد.

 

 

 

گامی به سوی باتری‌های انعطاف‌پذیر

تازه های فناوری نانو(2)

 

دانشمندانی از کره جنوبی فهمیده‌اند که با استفاده از نانوورقه‌های گرافنی، ساخت منابع تغذیه قابل خمش امکان‌پذیر خواهد بود. دیگر افزاره‌های الکترونیکی به مصارف خانگی یا ادارات محدود نیستند. ما با آنها مسافرت می‌کنیم، آنها را جابجا می‌کنیم و حتی آنها را می‌پوشیم. برای ساخت تجهیزاتی مانند نمایشگرهای لوله‌شونده و افزاره‌های قابل پوشیدن، منابع تغذیه‌ای که بخواهند آنها را تغذیه کنند نیز باید خیلی انعطاف‌پذیر باشند.

چالش اصلی برای توسعه یک منبع تغذیه واقعاً خمش‌پذیر به کمبود ماده‌ای مربوط می‌شود که هم دارای خاصیت انعطاف‌پذیری بالا و هم رسانایی الکترونیکی خوب باشد. پلیمرها به طور نوعی استفاده می‌شوند، ولی آنها در دماهای نسبتاً کم از بین می‌روند و همین امر باعث می‌شود که زیاد ایده‌آل نباشند.

 

کیسوک کانگ از موسسه علوم و فناوری پیشرفته کره در دائجون و همکارانش با استفاده از یک الکترود هیبریدی گرافنی، باتری قابل شارژ انعطاف‌پذیری تولید کرده‌اند. کانگ می‌گوید که عملکرد این باتری امیدوارکننده است.

تازه های فناوری نانو(2)

در این باتری، ماده کاتدی که در اینجا V2O5است، با استفاده از رسوب لیزر پالسی بر روی یک صفحه گرافنی رشد داده می‌شود و صفحه‌ای از گرافن پوشیده شده با لیتیوم نیز بعنوان آند استفاده می‌گردد. باتری بدست آمده سبک ‌وزن است و به اندازه کافی انعطاف‌پذیر است تا مورد پیچش و خمش قرار گیرد.

کانگ توضیح می‌دهد که این الکترود در مقایسه با الکترودهای غیرقابل انعطاف متداول، برای اکثر جوانب مربوط به خواص الکتروشیمیایی دارای عملکرد الکتروشیمیایی بهبود یافته‌ای است. برای مثال چگالی انرژی و توان بالاتر، و عمر چرخه بهتری دارد.

هیرویوکی نیشیده، متخصص پلیمرهای عملکردی و استفاده آنها در الکترونیک از دانشگاه واسدای ژاپن، می‌گوید: "نانوساختارهای گرادیانی ناشناخته هستند و رهیافت آنها در ساخت افزاره انعطاف‌پذیرِ لوله شونده دارای آتیه بسیار خوبی در نسل جدید ذخیره‌کننده‌های انرژی است".

کانگ امیدوار است که با استفاده از الکترولیت پلیمری یا حالت جامد بتواند این کار را جهت افزایش کارآیی این باتری و پایداری طولانی آن توسعه دهد. او معتقد است که با ترکیب این فناوری جدید با سایر مواد عملکردی می‌توان در کاربردهایی مانند کاتالیزورها، افزاره‌های فوتوولتایی و دیودهای نورگسیل آلی از آنها استفاده کرد.

این دانشمندان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را تحت عنوان "افزاره‌های ذخیره انرژی انعطاف‌پذیر مبتنی بر کاغذ گرافنی" در مجله‌ی Energy Environ. Sci. منتشر کرده‌اند.

 

باتری جدید از اختلاف شوری آب، برق تولید می‌کند

 

هنگامی که آب شیرین رودخانه‌ها داخل دریا وارد می‌شود، اختلاف غلظت نمک منجر به یک تغییر در انتروپی می‌شود. پژوهشگران در آمریکا با کمک فناوری‌نانو باتری ساخته‌اند که از اختلاف انتروپی، توان تولید می‌کند. پی‌چو و همکارانش با استفاده از الکترودهای نقره‌ای و نانومیله‌های دی‌اکسید منگنز، از این اختلاف انتروپی، انرژی را با راندمان 75درصد استخراج می‌کند.

چو می‌گوید که آنها نشان داده‌اند که این ایده را واقعا می‌توان عملی کرد. گروه تحقیقاتی چو تخمین می‌زند که اگر این فناوری در همه دریاهای جهان استفاده شود، انرژی تجدید‌پذیری برابر با بطور تقریبی 2 تریلیون وات (یعنی حدود 13 درصد مصرف کل جهان) تولید می‌کند.

تازه های فناوری نانو(2)

با این باتری می‌توان از اختلاف انتروپی، توان تولید کرد

 

تولید توان بر اساس انتروپی قبلاً انجام شده است، اما بهترین روشی که امروزه استفاده می‌شود، جداسازی آب دریا و آب تازه با غشاء است که در آن یون‌ها در سرتاسر غشاء مهاجرت می‌کنند و جریان الکتریسیته تولید می‌کنند. در روش این محققان، انرژی از اختلاف غلظت بین دو محلول با ذخیره کردن آن به صورت شیمیایی در باتری، استخراج می‌شود.

برت هامیلرز، رئیس گروه انرژی تجدیدپذیر در دانشگاه واگنینگن در هلند، می‌گوید:" مزیت بزرگ فناوری مذکور این است که آن نیاز به هیچ غشایی ندارد، اما به الکترودهایی با سطح ویژه بزرگ نیاز دارد." چو می‌گویدکه الکترود نانومیله‌ای آنها سطح ویژه بزرگی دارد. این باتری طی حرکت‌های یون‌های سدیم و کلر به داخل و خارج شبکه بلوری این الکترودها، انرژی را استخراج می‌کند.این باتری در آب دریا هنگامی که یون‌های کلر بوسیله الکترود نقره و یون‌های سدیم بوسیله الکترود دی‌اکسید منگنز گرفته می‌شوند، تخلیه می شود. این یون‌ها هنگامی که این باتری در آب تازه شارژ می‌شود، رها می‌شوند.

به دلیل غلظت یونی بالاتر در آب دریا، انرژی الکتریکی تخلیه‌شده بزرگ‌تر از انرژی مورد نیاز برای شارژ این باتری است. چو می‌گوید که در حقیقت دلیل اینکه ما می‌توانیم این انرژی را بدست آوریم این است که الکترولیت را تغییر می‌دهیم. در روش این پژوهشگران، هزینه‌ها به دلیل عدم نیاز به غشاء بسیار کم‌تر از دیگر روش‌ها است.

چو که به دلیل راندمان بالای این باتری هیجان زده شده است، امید دارد که با بهینه کردن مواد الکترودی، به راندمان بالاتری برسند. او می‌گوید: اگر ما دو الکترود را بهم نزدیک کنیم، فکر می‌کنم که بتوانیم به راندمان حدود 85 درصد برسیم.

جزئیات نتایج این تحقیق در مجله‌ی Nano Letters منتشر شده است.

 

 نانو کامپوزیت جدید عملکرد باتری ها را بهبود می دهد

 

پژوهشگران در سنگاپور برای رفع مشکل تحلیل رفتن و کاهش ظرفیت باتری های یون لیتیوم بعد از تعداد زیادی چرخه شارژ - تخلیه، راهبرد جدیدی شرح داده اند. این راهبرد شامل استفاده از یک ماده نانوکامپوزیتی با ساختاری شبیه نخود فرنگی و پوسته شان است، که متشکل از نانوذرات اکسید کبالت((Co3O4 درج شده در الیاف کربنی است.

تازه های فناوری نانو(2)

چپ: نانوذرات اکسید کبالت درج شده در الیاف کربنی

راست: نخودفرنگی وپوسته شان.این ساختار شبیه نخودفرنگی وپوسته شان ،طول عمر الکترودها در باتری های یون لیتیوم رابهبود می دهند

 

در باتری های یون لیتیوم، یو ن های لیتیوم طی فرآیندهای شارژ و تخلیه با تشکیل آلیاژ یا تبدیل شیمیایی، به طور تکراری وارد الکترو دها شده و از آنها خارج می شوند. این فرآینده ای تکراری سبب تحلیل تدریجی الکترودها شده و به طور برگشت ناپذیری عملکرد این باتری ها را بدتر می کند.

اکنون یو وانگ و همکارانش در A*STAR برای غلبه بر این مشکل یک راهبرد ظریف شرح داده اند.

اکسید کبالت یک ماده نویدبخش برای آندها در باتری های یون لیتیوم است؛ زیرا ظرفیت آن برای نگه داشتن یون ها بیشتر از ظرفیت مواد الکترودی مرسوم از قبیل قانع است به علاوه   Co3O4به آسانی به LiCoO3  که ماده ای است که اخیرا در کاتدهای تجاری استفاده می شود، تبدیل می شود.

این پژوهشگران با گرم کردن نانوتسمه های هیدرواکسید  کربنات کبالت روکش داده شده با لایه های گلوکز پلیمره شده، در یک اتمسفر بی اثر در 700 درجه سلسیوس و سپس در هوا در 250 درجه سلسیوس، ساختارهایی شبیه نخود فرنگی و پوسته شان تولید کردند. الکترودهای ساخته شده با این نانوکامپوزیت ذخیره لیتیوم و ماندگاری ظرفیت را افزایش دادند.

وانگ می گوید: «نانوذرات کبالت به عنوان مواد فعال برای ذخیره یو ن های لیتیوم عمل می کنند و الیاف کربنی این نانوذرات را از جمع شدن  و تخریب محافظت می کنند. این الیاف کربنی همچنین نقش هدایت الکترو ن ها از این نانوذرات را بازی می کنند».

این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی ACS Nano منتشر کرده اند.

 

نسل جدیدی از باتری ها با کمک نانوماده جدید

 

 

پژوهشگران در موسسه پلی تکنیک رنسلار نوع کاملاً جدید از نانومواد ساخته اند که با استفاده از آن می توان نسل جدیدی از باتری های یون لیتیوم قابل شارژ پر توان برای خودروهای الکتریکی، لپ تاپ ها، تلفن های همراه و دیگر افزاره های قابل حمل ساخت.

 

این ماده جدید به دلیل شبیه بودن شکلش به مخروطی که یک گلوله بستنی شکل روی نوکش قرار دارد، نانو گلوله ی بستنی شکل نامیده می شود و می تواند سرعت های بی نهایت بالایی از شارژ و تخلیه را تحمل کند، در حالی که سرعت های بالای شارژ و تخلیه سبب می شوند که الکترودهای مرسوم استفاده شده در باتری های یون لیتیوم امروزی، به سرعت تحلیل رفته و شکسته شوند. دلیل این توانایی های نانوماده مذکور اندازه ساختار و ترکیب بی نظیرش است.

این گروه به رهبری نیخیل کوراکتار شرح داد که چگونه یک الکترود ساخته شده از این نانوماده می تواند با سرعت هایی حدود 40 تا 60 برابر بیشتر از آندهای باتری های مرسوم شارژ و تخلیه شود، در حالی که چگالی انرژی خود را در حد قابل قبولی حفظ کند.

تازه های فناوری نانو(2)

تصویرمیکروسکوپ الکترونی پیمایشگراین نانو ماده جدید

 

نانو ماده این پژوهشگران متشکل از یک نانومیله کرینی (C) در انتها است که روی نوک آن لایه ای از آلومینیوم (AI) نانومقیاس و سپس گلوله ی بستنی شکل از سیلیکون (S) نانومقیاس قرار دارد. این ساختار انعطاف پذیر است و قادر است با سرعت های بسیار بالایی پذیرای یون های لیتیوم باشد و آنها را تخلیه کند، بدون آنکه صدمه ای ببیند ساختار قطعه قطعه ی این نانوماده اجازه می دهد که کرنش به تدریج از کرین انتهایی به لایه آلومینیومی و در نهایت به گلوله بستنی سیلیکونی انتقال یابد.

طبق گفته این پژوهشگران، از آنجایی که نانو ساختارها در مقایسه با مواد توده ای تمایل کمتری به ترک برداشتن دارند. اندازه نانو مقیاس این ماده حیاتی است.

 

جزییات نتایج این کار تحقیقاتی در مجله ی Nano Letters منتشر شده است.

/ 0 نظر / 28 بازدید