slide1 n.
Download
Skip this Video
Download Presentation
υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 16

υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς - PowerPoint PPT Presentation


  • 117 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς' - monita


Download Now 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
slide1

υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς

Χρήση υπερπυκνωτών με ηλεκτρόδια νανοσωλήνα άνθρακα στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

slide2
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.
slide3
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.
slide4
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)

slide6
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».
slide7
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)
slide8
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 )

slide11
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).
slide13
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.
slide14

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

slide15
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)

slide16
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).