υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς

1. υΠΕΡΠΥΚΝΩΤΕς Χρήση υπερπυκνωτών με ηλεκτρόδια νανοσωλήνα άνθρακα στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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)

6. 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».

7. 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)

8. 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.

9. 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

10. 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 )

11. 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).

12. Ιδιότητες νανοσωλήνων άνθρακα

13. 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.

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

15. 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）

16. 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).