υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 16

υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς PowerPoint PPT Presentation


  • 76 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς. Χρήση υπερπυκνωτών με ηλεκτρόδια νανοσωλήνα άνθρακα στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Σ τόχος. Εφαρμογή υπερπυκνωτών ( ηλεκτρικού διπλού στρώματος πυκνωτή – EDLC) σε ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Download Presentation

υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


4388480

υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς

Χρήση υπερπυκνωτών με ηλεκτρόδια νανοσωλήνα άνθρακα στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.


4388480

Στόχος

  • Εφαρμογή υπερπυκνωτών (ηλεκτρικού διπλού στρώματος πυκνωτή – EDLC) σε ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

  • Μέθοδοι ενεργοποίησης (functionalization) νανοσωλήνων άνθρακα και παρασκευή σύνθετων ηλεκτροδίων (για υπερπυκνωτές) νανοσωλήνων/νανοσωματίδιαοξειδίων, ή πολυμερών ή μαγνητίτη, για την βελτίωση της απόδοσης των EDLCs.


4388480

Υπερπυκνωτές (Ηλεκτροχημικοί Πυκνωτές)

  • Σχετικά καινούρια συστήματα αποθήκευσης ενέργειας

  • Εφαρμογές, οι οποίες απαιτούν ενέργεια σε μικρές χρονικές περιόδους, (δευτερόλεπτα ή δέκατα του δευτερολέπτου).

  • Εφαρμογή σε

    • ηλεκτρικά αυτοκίνητα,

    • λεωφορεία, γερανούς, ανεμογεννήτριες κτλ.

  • Πυκνότητα ισχύος και ενέργειας.

  • Σύγκριση με άλλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.


4388480

Είδη και δομή Υπερπυκνωτών

  • Συμμετρικός υπερπυκνωτής:

  • Δύο πανομοιότυπα ηλεκτρόδια βυθισμένα σε ηλεκτρολύτη.

  • Πορώδη μεμβράνη (διαχωριστής - separator).

  • Συλλέκτη ρεύματος- current collector.

  • Συνδετικό μέσο (πολυμερές) - συνδέει τα μόρια των ενεργών υλικών με το συλλέκτη ρεύματος.

  • Φίλτρο - υμένας(νανοσωλήνας άνθρακα)- βελτιώνει την αγωγιμότητα και αυξάνει την χωρητικότητα των ηλεκτροδίων.

  • Διακρίνεται σε:

    • ηλεκτρικούς διπλού στρώματος πυκνωτές (electrical double layer capacitors [EDLC]) :

      • ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ φορτίων επιφάνειας και ιόντων αντίθετου φορτίου του ηλεκτρολύτη (EDL)

    • ψευδοπυκνωτές

      • γρήγορες αντιδράσεις οξειδοαναγωγής μεταξύ ηλεκτρολύτη και ηλεκτροδίου.


Edlc s

Αρχή λειτουργίας υπερπυκνωτών (EDLCs)

  • Ηλεκτροχημικοί Πυκνωτές:

    • αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με φυσικό διαχωρισμό (στατικός ηλεκτρισμός) θετικών και αρνητικών φορτίων, (απουσία χημικής αντίδρασης).

  • Ηλεκτρικός διπλού στρώματος πυκνωτής (EDLCs):

    • αποθήκευση ηλεκτρικού φορτίου με παρόμοιο μηχανισμό με διηλεκτρικούς πυκνωτές.

    • Διαφορά : συσσώρευση φορτίου στη διεπιφάνειαηλεκτροδίου/ηλεκτρολύτη.

Σύνδεση συστήματος με παροχή ισχύος.

Φορτισμένη επιφάνεια ηλεκτροδίων – έλξη ιόντων (αντίθετου φορτίου) ηλεκτρολύτη

Αποθήκευση ιόντων σε ηλεκτρικό διπλό στρώμα (EDL)


4388480

Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα

  • Σχεδόν απεριόριστη διάρκεια ζωής.

  • Μικρή εσωτερική αντίσταση (RS ή ESR).

  • Γρήγορη φόρτιση/αποφόρτιση (σε δευτερόλεπτα).

  • Απλούς μεθόδους φόρτισης.

  • Οικονομικά αποδοτικά συστήματα (χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα αντισταθμίζεται από μεγάλο αριθμό κύκλων).

  • Δεν είναι δυνατή η χρήση ολόκληρου του φάσματος της ενέργειας.

  • Χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα (ένα πέμπτο έως ένα δέκατο της ενέργειας που αποθηκεύεται σε μια ηλεκτροχημική μπαταρία).

  • Απαίτηση εξισορρόπησης τάσης όταν συνδέονται σε σειρά περισσότεροι από τρεις πυκνωτές.

  • Ευκολότερη και γρηγορότερη «αυτοεκφόρτιση».


4388480

Εφαρμογές

  • Καταλληλότερο σύστημα αποθήκευσης ενεργείας για σχετικά μικρή χρονική περίοδο

  • Εφαρμογές στις οποίες απαιτείται μεγάλη παροχή ισχύος ή αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, όπως:

    • εκκίνηση μια μικρής ή μεγάλης μηχανής (περισσότερη ισχύ και περιβαλλοντική αποδοχή έναντι των μπαταριών).

    • Συστήματα τροφοδότησης χωρίς διακοπή (UPS ).

    • Ανεμογεννήτριες(αξιοποίηση ισχύος από τον άνεμο)

    • Ανελκυστήρες, γερανούς, ραντάρ στον στρατιωτικό τομέα, κινητά τηλέφωνα ή υπολογιστές, κτλ.

  • Κυριότερη εφαρμογή:

  • Ηλεκτρικά οχήματα - υπερπυκνωτές έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται ως προσωρινά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας για πέδηση με ανατροφοδότηση (regenerative braking)


4388480

Συνεισφορά νανοσωλήνων άνθρακα στην απόδοση των υπερπυκνωτών

  • Για να ικανοποιηθεί η βιομηχανική ζήτηση, είναι απαραίτητο να βελτιωθεί η απόδοση των υπερπυκνωτών.

  • Νανοπορώδειςάνθρακες (ναοσωλήνεςάνθρακα):

    • αποτελούν το ενεργό υλικό του ηλεκτροδίου,

    • βελτιώνουν την αγωγιμότητα του ηλεκτροδίου,

    • αυξάνουν την χωρητικότητα του ηλεκτροδίου

  • Επεξεργασία επιφάνειας νανοσωλήνωνάνθρακα

    • ενεργοποίηση με νανοσωματίδια οξειδίων, ή πολυμερών, ή DNA, ή μαγνητίτη):

    • αύξηση χωρητικότητα ς ηλεκτροδίου

    • βελτίωση απόδοσης υπερπυκνωτή.


Carbon nanotubes cnts

Νανοσωλήνες άνθρακα (Carbon nanotubes – CNTs)

  • Αλλότροπα του άνθρακα με κυλινδρική νανοδομή.

  • Ανήκουν στην δομική ομάδα των φουλλερενίων.

    • (fullerene- C60 -μόρια άνθρακα, σε μορφή κενής σφαίρας, η ελλειψοειδές μορφή ή σε μορφή σωλήνα)

  • Ανακαλύφθηκαν σε αποθέσεις άνθρακα σε άνοδο γραφίτη, με εκκένωση τόξου (arc discharge) σε ατμόσφαιρα ηλίου (He).

(Α) Single-walled – SWNT

(Β) Multi-walled - MWNT


Carbon nanotubes cnts1

Νανοσωλήνες άνθρακα (Carbon nanotubes – CNTs)

  • Κατηγορίες CNts:

  • Μονού τοιχώματος (Single-walled – SWNT)

    • διάμετρο 1nm και μήκος σωλήνα εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο.

    • δομή ενός SWNT:τυλιγμένο στρώμα μικρού πάχους (nm) γραφίτη- γραφένιο (graphene)- σε κύλινδρο χωρίς ραφή.

  • Πολλαπλών τοιχωμάτων (Multi-walled - MWNT)

    • μοντέλο «the Russian Doll» - φύλλα γραφίτη διαταγμένα σε ομόκεντρους κυλίνδρους

    • μοντέλο «Parchment» - απλό φύλλο γραφίτη τυλιγμένο γύρο από τον εαυτό του - μορφή τυλιγμένης εφημερίδα.

Single-walled – SWNT (ΤΕΜ - Transmission Electron Microscopy)

Multi-walled – MWNT (TEM –

Transmission Electron Microscopy )


4388480

Μέθοδοι παρασκευής νανοσωλήνων άνθρακα

  • Εκκένωση τόξου (Arc discharge)

    • Νανοσωλήνες συλλέγονται από αιθάλη (καπνιά) άνθρακα των ηλεκτροδίων γραφίτη.

    • Απόδοση μεθόδου 30 %

    • Παραγωγή νανοσωλήνων απλού και πολλαπλών τοιχωμάτων (μήκος έως 50 μm)

  • Εξάχνωση με Λέιζερ( Laser ablation)

    • Εξάχνωση γραφίτη με παλμικό λέιζερ μέσα σε αντιδραστήρα υψηλής θερμοκρασίας.

    • Προσθήκη αδρανούς αερίου.

    • Ανάπτυξη νανοσωλήνωνστην ψυχρή επιφάνεια του αντιδραστήρα(συμπύκνωση άνθρακα)

    • Απόδοση 70%.

    • Παραγωγή νανοσωλήνων μονού τοιχώματος - ελεγχόμενη διάμετρο.

  • Χημική εναπόθεση ατμού [Chemical vapor deposition (CVD)]

    • Προετοιμασία υποστρώματος με σωματίδια μεταλλικού καταλύτη, (Ni,Co, Fe)

    • Θέρμανση υποστρώματος στους 700°C

    • Ανάμιξη στον αντιδραστήρα δύο αερίων - αέριο διεργασίας (NH3, N, ή H) - αέριο που περιέχει άνθρακα ( ακετυλένιο, αιθυλένιο, αιθανόλη, η μεθάνιο).

    • Διάσπαση αερίου (περιέχει άνθρακα) στην επιφάνεια του καταλύτη - μεταφορά άνθρακα στα άκρα των σωματιδίων του καταλύτη – σχηματισμός νανοσωλήνα.

  • Hμέθοδος CVDείναι περισσότερο υποσχόμενη σε βιομηχανική κλίμακα:

    • πιο φθηνή μέθοδος

    • απευθείας παραγωγή νανοσωλήνων πάνω σε επιθυμητό υπόστρωμα (στις άλλες τεχνικές πρέπει να συλλέγονται).


4388480

Ιδιότητες νανοσωλήνων άνθρακα


4388480

Πειραματικοί μέθοδοι παρασκευής νονοσωλήνωνάνθρακα ενεργοποιημένων με νανοσωματίδια, για χρήση σε υπερπυκνωτές.

  • Η χωρητικότητα μπορεί να αυξηθεί:

    • με χημική ενεργοποίηση,

    • ενεργοποίηση με θέρμανση και

    • με επεξεργασία στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου.

  • Ισχυρή οξείδωση σε νιτρικό οξύ

    • αύξησης των λειτουργικών ομάδων της επιφάνειας CNT

    • αύξηση ειδικής χωρητικότητας ηλεκτροδίου

  • Χημική ενεργοποίηση με KOH (MWNT)

    • Αυξημένες τιμές χωρητικότητας (7 φορές)

  • Η εισαγωγή στην επιφάνεια (CNT) καρβοξυλικώνομάδων

    • χωρητικότητα 3.2 φορές μεγαλύτερη, (αυξημένη υδροφιλικότητατων MWCNT σε υδατικό ηλεκτρολύτη).

  • Ενεργοποίηση με φθόριο με θερμική κατεργασία.

    • Αύξηση χωρητικότητας

    • Μείωση εσωτερικής αντίστασης.

  • Κατεργασία με πυρρόλιο (SWNT)

    • Υψηλές τιμές ειδικής χωρητικότητας (350 F/g)

  • Κατεργασία της επιφάνειας με πλάσμα παρουσία NH3.


4388480

Σύνθετα ηλεκτρόδια νανοσωλήνων άνθρακα με οξείδια ή πολυμερή ή DNA,για την αύξηση της χωρητικότητας τους, για εφαρμογή σε υπερπυκνωτές


4388480

Ενεργοποίηση νανοσωλήνωνάνθρακα με μαγνητίτη

  • Τα νανοσωματίδια μαγνητίτη:

    • σχεδόν σφαιρικά

    • κατανομή μεγέθους του σωματιδίου από 10 έως 25 nm.

  • Τα νανοσωματίδιατου Fe3O4 στην επιφάνεια του MWNT:

    • Προσδίδουν μαγνητικές ιδιότητες στο σύνθετο υλικό (Fe3O4/MWNT).

    • Αυξάνουν την ειδική χωρητικότητα του ηλεκτροδίου.

  • Ειδική χωρητικότητα ακατέργαστων MWNTs:58F/g

  • Ειδική χωρητικότητα Fe3O4/MWNT:165 F /g

  • 85.1% της χωρητικότητας των Fe3O4/MWNTπαραμένειαμετάβλητη(1000 κύκλους).

(a) Ακατέργαστος MWNT (ΤΕΜ)

(b) Σύνθετο υλικό Fe3O4/MWNT (ΤΕΜ)

(ΤΕΜ=Transmission Electron Microscopy)


4388480

Μελλοντική έρευνα

  • Αναζωογόνηση χωρητικότητας ηλεκτροδίου

    • μείωση χωρητικότητας ηλεκτροδίου (κύκλους φόρτισης/αποφόρτισης)

    • ενεργοποίηση των νανοσωλήνων άνθρακα με επιπλέον κατεργασίες.

    • δημιουργία νέων σύνθετων ηλεκτροδίων (αυξάνουν χωρητικότητα CNT).


  • Login