Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Dzięki anodzie z MIT powstaną bardziej pojemne i wytrzymałe akumulatory do smartfonów
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Inżynierowie z Arizona State University, U.S. Army Research Laboratory, Lehigh University i Louisiana State University stworzyli wyjątkowo stabilny w wysokich temperaturach stop miedzi o niezwykłej wytrzymałości mechanicznej. Materiał Cu-3-Ta-0.5Li opisany został na łamach Science. Nasz stop czerpie z wyjątkowej wytrzymałości nadstopów niklu, wyjaśnia profesor Kiran Solanki, współautor badań.
Obecnie nadstopy (superstopy) niklu, materiały charakteryzujące się dużą żarowytrzymałością – czyli zdolnością do znoszenia znacznych obciążeń w wysokiej temperaturze – i odporne na korozję wykorzystywane są tam, gdzie tego typu wyjątkowe właściwości są koniecznością. Spotkamy je w przemyśle lotniczym i kosmicznym, turbinach gazowych czy urządzeniach wykorzystywanych w przemyśle chemicznym. Wciąż jednak trwają poszukiwania nowych materiałów. Szczególnie duże zapotrzebowanie istnieje ze strony przemysłu lotniczego, kosmicznego i obronnego.
Nowy materiał zawdzięcza swoje wyjątkowe właściwości unikatowej strukturze litu i miedzi uzyskanej przez strącanie (precypitację), która otoczona jest warstwą bogatą w tantal. Dodanie dokładnie 0,5 procenta litu zmieniło strukturę materiału. Wcześniej układ Cu-Ta miał niestabilną strukturę kulistą, zaś po dodaniu Li zmienił się w stabilne struktury sześcienne.
Właściwości takiego materiału są imponujące. Cu-3Ta-0.5Li pozostaje stabilny przez ponad 10 000 godzin w temperaturze 800 stopni Celsjusza. W temperaturze pokojowej jego granica plastyczności – czyli granica poza którą zaczyna się trwale odkształcać – wynosi 1120 MPa. Jest więc znacznie powyżej granicy plastyczności dla tytanu, wynoszącej 880 MPa. Nowy materiał jest też wyjątkowo odporny na pełzanie, czyli powolne odkształcanie pod wpływem długotrwałego obciążenia.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Akumulatory w samochodach elektrycznych mogą działać o 1/3 dłużej, niż twierdzą ich producenci, informują naukowcy ze SLAC-Stanford Battery Center. Eksperci centrum badawczego, które zostało założone przez SLAC National Accelerator Laboratory i Precourt Institute for Energy na Uniwersytecie Stanforda, doszli do wniosku, że obecne procedury testowe nie oddają prawidłowo warunków, w jakich używane są akumulatory. To zaś oznacza, że w rzeczywistości właściciele samochodów elektrycznych mogą używać ich przez wiele lat dłużej, niż przypuszczają.
Typowa procedura testowa, jakiej naukowcy i inżynierowie poddają rozwijane przez siebie akumulatory, polega na ich rozładowywaniu pod stałym obciążeniem i ładowaniu. Procedurę tę powtarza się wielokrotnie, by sprawdzić, w jakim tempie spada pojemność akumulatorów, a zatem jak długo będzie można ich używać.
Jednak, jak czytamy w artykule opublikowanym właśnie na łamach Nature Energy, metoda taka nie oddaje rzeczywistych warunków użytkowania tych akumulatorów. W rzeczywistości mogą one działać znacznie dłużej, a to bardzo dobra wiadomość dla obecnych i przyszłych posiadaczy samochodów elektrycznych. Mimo bowiem olbrzymiego, sięgającego 90%, spadku cen akumulatorów w ciągu ostatnich 15 lat, wciąż stanowią one około 1/3 ceny samochodu elektrycznego.
Ku naszemu zdziwieniu okazało się, że prawdziwe warunki użytkowania samochodu elektrycznego, częste przyspieszanie, hamowanie, które nieco ładuje baterie, zaparkowanie na chwilę przy mijanym sklepie spożywczym, pozostawianie bezczynnego samochodu na wiele godzin w czasie pracy czy snu, powoduje, że akumulatory mogą działać dłużej, niż pokazują to standardowe testy laboratoryjne, mówi profesor Simona Onori z Uniwersytetu Stanforda.
Autorzy badań wykorzystali cztery scenariusze testowania akumulatorów, od standardowych testów używanych obecnie w przemyśle, po testy, które – na podstawie danych zebranych ze standardowo używanych samochodów - oddawały prawdziwe warunki eksploatacji akumulatorów. Następnie wedle tych czterech scenariuszy przez dwa lata testowali 92 komercyjnie dostępne akumulatory litowo-jonowe. Okazało się, że im bardziej test był podobny do sposobu używania akumulatora w życiu codziennym, tym dłużej taki akumulator mógł pracować.
Uzyskane dane zostały następnie przeanalizowane za pomocą algorytmu maszynowego uczenia się. Naukowcy chcieli wiedzieć, jakie czynniki wpływają na żywotność baterii. Analizy wykazały na przykład, że krótkotrwałe, szybkie zwiększanie prędkości samochodu elektrycznego powoduje, że akumulatory ulegają wolniejszej degradacji. To niezwykle zaskakujące, gdyż dotychczas sądzono, że przyspieszanie negatywnie wpływa na żywotność akumulatorów. Tymczasem okazuje się, że pomaga ono zwiększyć ich żywotność.
Naukowcy sprawdzili różnice pomiędzy spadkiem pojemności akumulatorów powodowanym przez kolejne cykle ładowania-rozładowywania, a powodowanym samym upływem czasu. Tutaj wszystko zależy od sposobu używania akumulatorów. My, inżynierowie zajmujący się akumulatorami, zawsze uważaliśmy, że cykle ładowania-rozładowywania są znacznie ważniejsze niż upływ czasu. Jest to prawdziwe w odniesieniu do komercyjnie używanych pojazdów elektrycznych, jak autobusy czy ciężarówki, które albo jeżdżą, albo są ładowane. Natomiast w przypadku samochodów prywatnych, wykorzystywanych do pojechania do pracy, po dzieci, na zakupy, które przez większość dnia stoją bezczynnie i nawet nie są ładowane, upływ czasu jest ważniejszym czynnikiem wpływającym na degradację niż cykle ładowania-rozładowywania, stwierdza doktorant Alexis Geslin, jeden z głównych autorów badań. Dlatego też naukowcy postanowili określić optymalny sposób używania akumulatorów, by zrównoważyć wpływ obu czynników na te urządzenia. Okazało się, że przeciętny użytkownik prywatnego samochodu elektrycznego używa go w sposób optymalny dla akumulatorów. Jedyne, co należy zrobić – ale to już rola producentów samochodów – to dostosowanie oprogramowania zarządzającego akumulatorami do wniosków płynących z tych badań.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Google Research proponują, by wykorzystać miliony smartfonów używanych z systemem Android do badania w czasie rzeczywistym zmian w jonosferze i poprawienia tym samym dokładności systemów nawigacji satelitarnej. Zamiast postrzegać jonosferę jako obszar, który zaburza GPS, możemy odwrócić sytuację i wykorzystać odbiorniki GPS jako urządzenia do badania jonosfery. Łącząc dane z czujników milionów telefonów stworzyliśmy szczegółowy obraz jonosfery, którego w inny sposób nie można uzyskać, stwierdził Brian Williams i jego koledzy.
Jonosfera do obszar słabo zjonizowanej plazmy rozciągającej się na wysokości 50–1500 kilometrów nad Ziemią. Jonosfera ulega ciągłym zmianom, a zmiany te są jednym z najpoważniejszych źródeł błędów występujących w systemach nawigacji satelitarnej. Systemy takie wykorzystują duże sieci satelitów, które wysyłają sygnały radiowe do odbiorników na Ziemi. Każdy z odbiorników, na przykład nasz smartfon, oblicza swoją pozycję na podstawie czasu nadejścia sygnałów. Najpierw jednak sygnały wysłane przez satelity przechodzą przez jonosferę, wchodzą w interakcje z wolnymi elektronami, co je nieco spowalnia. Problem w tym, że zagęszczenie swobodnych elektronów nie jest stałe ani w przestrzeni, ani w czasie. Zmienia się ono też w zależności od aktywności Słońca i ziemskiego pola magnetycznego.
Na całym świecie działają miliardy smartfonów, a każdy z nich wyposażony jest w silny procesor i liczne czujniki. Chociaż czujniki te są przeważnie gorszej jakości niż standardowe czujniki używane w instrumentach naukowych, liczba i zagęszczenie smartfonów powodują, że dzięki nim można uzyskać lepszy obraz jonosfery niż z instniejącej sieci instrumentów naukowych, które ją badają.
Naukowcy z Google'a chcą wykorzystać fakt, że wiele smartfonów posiada odbiorniki wykrywające sygnały nawigacji satelitarnej w dwóch różnych częstotliwościach. Ich wykorzystanie do mapowania jonosfery nie jest jednak łatwe, gdyż smartfony nie zostały zaprojektowane pod kątem jej badania. Ich anteny są słabe, a odbierane sygnały często zakłócają pobliskie budynki, na jakość wpływają też sprzęt i oprogramowanie użyte przez producentów smartfonów. Jednak jest ich tak dużo, że te wszystkie niedoskonałości można zniwelować za pomocą liczby urządzeń.
Dlatego Williams i jego zespół proponują, by wykorzystać miliony smartfonów, które dzięki możliwości odbioru sygnału w dwóch częstotliwościach, dostarczą jednocześnie danych potrzebnych do skalibrowania i poprawy obliczeń. Naukowcy przyznają, że dane z pojedynczego smartfonu byłyby dość słabej jakości, ale dzięki olbrzymiej liczbie urządzeń, możliwe będzie przeprowadzenie obliczeń korygujących i uzyskanie dobrej jakości danych. Szczególnie obiecujący jest taki system wykorzystujący smartfony użytkowników z Afryki, Indii czy Azji Południowo-Wschodniej, gdzie sieć naukowych stacji badających jonosferę jest niewielka.
Badacze przeprowadzili już wstępne testy. Wykorzystali miliony urządzeń z Androidem rozsiane po całym świecie. Nie musieli przy tym identyfikować poszczególnych urządzeń, co zapewniało użytkownikom anonimowość i bezpieczeństwo. Dzięki temu naukowcy byli w stanie zobrazować wiele zmian w jonosferze – pojawienie się bąbli plazmy nad Indiami i Ameryką Południową, wpływ niewielkiej burzy słonecznej na jonosferę nad Ameryką Północą czy ubytek wolnych elektronów nad Europą. Już te wstępne testy dwukrotnie zwiększyły obszar jonosfery, jaki był dotychczas badany i poprawiły rozdzielczość istniejących map.
Głównym jednak celem naukowców jest poprawienie działania systemów nawigacji satelitarnej. Twierdzą, że gdyby taki system został wykorzystany na masową skalę, powodowane zmianami jonosfery błędy zostałyby zmniejszone o wiele metrów, co przyniosłoby liczne korzyści. Odbiornik GPS odróżniłby, czy znajdujemy się na autostradzie, czy na położonej obok równoległej drodze gruntowej, a to olbrzymia różnica na przykład w przypadku konieczności wysłania służb ratunkowych, stwierdza Williams.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Nieprzewidywalność to jeden z problemów trapiących odnawialne źródła energii. Wiatraki i instalacje fotowoltaiczne czasami wytwarzają tak dużo energii, że są problemy z jej odbiorem, innym zaś razem, gdy energia by się przydała, one akurat nie pracują. Problem rozwiązałyby magazyny energii. Jak wynika z analiz magazyny takie musiałyby kosztować nie więcej niż 20 USD za kilowatogodzinę pojemności, by można było zasilać duże obszary wyłącznie energią słoneczną i wiatrową. Obecnie 100-megawatowy magazyn litowo-jonowy kosztuje 405 USD za kilowatogodzinę. Wkrótce ma się to zmienić.
Donald Sadoway to chemik materiałowy i emerytowany profesor MIT. Jest znanym ekspert w dziedzinie akumulatorów i ekstrakcji metali z rud, autorem wielu ważnych prac na tych polach. W 2010 roku stał się współzałożycielem firmy Ambri, która pracuje nad akumulatorem z ciekłego metalu. Firma informuje, że, w zależności od rodzaju instalacji, już obecnie jej akumulatory kosztują 180–250 USD za kilowatogodzinę pojemności. Do roku 2030 kwota ta ma spaść do 21 USD/kWh. Teraz przyszedł czas na zweryfikowanie tych zapewnień.
Ambri we współpracy z dostawcą energii Xcel Energy rozpocznie w 2024 roku budowę 300-kilowatowego systemu. Ma on zostać uruchomiony do końca przyszłego roku. Będzie to pierwsza instalacja Ambri na skalę przemysłową.
Profesor Sadoway wyjaśnia, że niższa cena akumulatorów z płynnym metalem wynika z wykorzystania prostszych materiałów, prostszej zasady działania oraz mniej skomplikowanego projektu. Ponadto takie akumulatory są znacznie bardziej trwałe od litowo-jonowych. Koncepcja akumulatora na ciekłych metalach czyni zeń świetne rozwiązanie dla zastosowań stacjonarnych. Akumulator jest niepalny i jest odporny na spadek wydajności. Mamy dane z tysięcy cykli ładowania/rozładowywania. Wynika z nich, że akumulatory te po 20 latach pracy powinny zachować 95% oryginalnej pojemności, stwierdza uczony.
Urządzenia firmy Ambri wykorzystują trzy ciekłe warstwy, oddzielone dzięki temu, że mają różną gęstość. Najgęstsza z nich to katoda z ciekłego antymonu. Znajduje się ona na samym dole. Na samej górze zaś jest anoda z mieszaniny wapnia. Warstwy te rozdzielone są elektrolitem z soli chlorku wapnia. Podczas rozładowywania anoda uwalnia jony wapnia, które przemieszczają się przez elektrolit do katody, tworząc tam mieszaninę wapniowo-antymonową. Podczas ładowania zachodzi proces odwrotny. Nie ma membrany, nie ma separatora. Wszystkie te elementy zapewniają prostotę budowy i odporność, cieszy się Sadoway.
Jeszcze 10 lat temu specjaliści z Ambri eksperymentowali z litem i magnezem w anodzie. Ze względu na koszty zdecydowali się na wapń. To jednak spowodowało, że prace nad akumulatorami znacznie się wydłużyły. Wszystkie te wspaniałe rzeczy, które dotychczas opracowaliśmy na potrzeby akumulatorów litowo-jonowych okazały się w tym przypadku nieprzydatne. Zachodzą tu inne procesy chemiczne, mamy tutaj inny projekt. Musieliśmy więc opracować wszystko od nowa, w tym urządzenia do produkcji naszych akumulatorów, wyjaśnia naukowiec.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali technologie, które pozwalają uniezależnić się od zagranicznych dostawców drogich metali i grafitu do akumulatorów, spełniają wymogi zielonej chemii, część z nich nie pozostawia śladu węglowego, a jakby tego było mało, prototypowe akumulatory mają parametry porównywalne lub lepsze od już istniejących. Z badań Zespołu Technologii Materiałów i Nanomateriałów Wydziału Chemii UJ, na czele którego stoi profesor Marcin Molenda, wynika, że za pomocą tzw. zielonej chemii można produkować bardziej ekologiczne akumulatory oraz uniezależnić się od rzadkich i szkodliwych dla środowiska materiałów.
Jedną z technologii opracowanych przez zespół Molendy jest CAG, która pozwala na wytwarzanie materiałów na anody z żelu węglowego. Żel taki (carbogel) pozyskuje się ze skrobi, której źródłem mogą być ziemniaki, ryż czy kukurydza. Skrobię poddaje się żelatynizacji z użyciem wody, a następnie kontrolowanej pirolizie, w której spalane są wydzielające się gazy. Jak zapewniają naukowcy, CAG pozwala całkowicie zastąpić grafit naturalny i syntetyczny, metoda charakteryzuje się zerowym śladem węglowym, oparta jest na bezpiecznym łańcuchu dostaw surowca i nie cierpi na tym wydajność samego urządzenia. Żywotność CAG wynosi ponad 1500 cykli ładowania/rozładowania, a uzyskany tą metodą materiał można zintegrować z dowolnymi nowoczesnymi katodami w akumulatorach LiIon.
Opracowany carbogel jest odpowiedni do produkcji zielonych ogniw litowo-jonowych o obniżonym śladzie węglowym. Ogromną korzyścią jest przy tym swobodny dostęp do surowca i całkowite uniezależnienie się od zagranicznych dostawców grafitu. CAG wykazuje porównywalną gęstość energii w porównaniu do akumulatorów z naturalnym grafitem, a dodatkowo ma tę przewagę, że pozwala na uzyskanie wyższej mocy, zapewnia profesor Molenda.
Kolejną z technologii opracowanych na UJ jest LKMNO. Pozwala ona na produkcję wysokonapięciowych katod do akumulatorów litowo-jonowych bez korzystania z kobaltu, z 5-krotnie mniejszą ilością niklu i 2-krotnie niższą zawartością litu w porównaniu do akumulatorów NMC (litowo-niklowo-manganowo-kobaltowych). Również i tutaj wykorzystywana jest zielona chemia o dość niskiej energochłonności całego procesu. Co więcej, podczas produkcji tego typu katody nie powstają odpady płynne i stałe, a gazy są przetwarzane do dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej. Katody LKMNO można łączyć z różnymi typami anod – w tym CAG – i współczesnymi elektrolitami. Takie katody szczególnie nadają się do ogniw o dużej mocy i pojemności, np. samochodów elektrycznych.
Koszt wytworzenia katody LKMNO jest dwukrotnie mniejszy w porównaniu z kosztami produkcji najnowocześniejszych katod klasy NMC, w których jest nikiel, mangan i kobalt. Dodatkową przewagą naszego rozwiązania jest to, iż użyty w akumulatorze lit, którego potrzeba dwukrotnie mniej niż w NMC, jest w pełni efektywny. We współczesnych bateriach litowo-jonowych lit, który jest dość kosztowny, pracuje w około 50 proc. To czyste marnotrawstwo. W modelu LKMNO jest on wykorzystany w 100 procentach, stwierdza profesor Molenda.
Na anodzie i katodzie się jednak nie kończy. Polscy naukowcy stworzyli też CCL (Carbon Conductive Layer), czyli nanotechnologiczną metodę precyzyjnego pokrywania materiałów aktywnych akumulatora cienka powłoką węgla. Grubość takiej powłoki, liczona w nanometrach, może być dostosowana już na etapie produkcji do przeznaczenia i sposobu działania akumulatora, co pozwala na znaczne zagęszczanie energii. Jednak największym atutem wynalazku jest praktyczne wyeliminowanie ryzyka samozapłonu akumulatora.
Materiał węglowy dodawany do akumulatorów ma na celu zapewnić odpowiednie przewodnictwo elektryczne. Dotychczas stosowane technologie nie pozwalają jednak w precyzyjny sposób rozmieszczać cząsteczek węglowych pomiędzy ziarnami materiałów aktywnych. W rezultacie do akumulatorów dodawane są znaczne ilości węgla, a im jest go więcej, tym mniejsze są możliwości zagęszczania w nich energii. Ponieważ akumulator podczas pracy podlega wahaniom temperatury, przy nierównomiernie rozmieszczonych cząsteczkach materiału węglowego wzrasta ryzyko uruchomienia nieodwracalnej reakcji samozapłonu akumulatora. Nasza powłoka CCL eliminuje takie ryzyko, ponieważ ziarna materiału aktywnego w akumulatorze są szczelnie pokryte, co skutecznie je od siebie oddziela. Taka bateria, nawet gdy dojdzie w niej do zwarcia, będzie rozładowywać się znacznie wolniej i nie ulegnie samozapłonowi. Powłoka CCL pokrywa na tyle szczelnie i trwale materiał aktywny, że nawet w przypadku, gdy ma on porowatą strukturę, dostaje się ona w zagłębienia, a przy znacznych wahaniach temperatur utrzymuje się ona na swojej pozycji, cieszy się profesor Moleda. Żywotność prototypowych ogniw zbudowanych z użyciem CCL sięgała 3000 cykli.
Centrum Transferu Technologii UJ poszukuje obecnie inwestora lub producenta, który zbuduje instalację pilotażową i ustandaryzuje produkcję nowego typu ogniw w skali przemysłowej.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.