De uitdaging om een ​​energietoekomst op te bouwen die de planeet in stand houdt en verbetert, is een enorme onderneming. Maar het hangt allemaal af van de geladen deeltjes die door onzichtbaar kleine materialen bewegen.

Wetenschappers en politici hebben de noodzaak erkend van een dringende en substantiële verschuiving in de mechanismen van energieproductie en -verbruik in de wereld om de dynamiek in de richting van een milieuramp te stoppen. Een koerscorrectie van deze omvang is zeker ontmoedigend, maar een nieuw verslag in het journaal Wetenschap suggereert dat de technologische weg naar het bereiken van duurzaamheid al is geplaveid, het is gewoon een kwestie van ervoor kiezen om het te volgen.

Het verslag, geschreven door een internationaal team van onderzoekers, beschrijft hoe onderzoek op het gebied van nanomaterialen voor energieopslag de afgelopen twee decennia heeft geleid tot de grote stap die nodig is om gebruik te maken van duurzame energiebronnen.

"De meeste van de grootste problemen waarmee de strijd voor duurzaamheid wordt geconfronteerd, kunnen allemaal worden teruggevoerd op de behoefte aan betere energieopslag, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach-professor aan Drexel University's College of Engineering en hoofdauteur van het artikel. "Of het nu gaat om een ​​breder gebruik van hernieuwbare energiebronnen, stabiliseren van het elektriciteitsnet, het beheren van de energiebehoefte van onze alomtegenwoordige slimme en verbonden technologie of het omschakelen van ons transport naar elektriciteit - de vraag waarmee we worden geconfronteerd, is hoe we de technologie voor het opslaan en uitbetalen van energie kunnen verbeteren. Na tientallen jaren van onderzoek en ontwikkeling, het antwoord op die vraag kan worden geboden door nanomaterialen."

De auteurs presenteren een uitgebreide analyse van de stand van zaken op het gebied van onderzoek naar energieopslag waarbij nanomaterialen betrokken zijn en stellen de richting voor die onderzoek en ontwikkeling moeten inslaan om de technologie mainstream te laten worden.

de jam

Bijna alle plannen voor duurzame energie - van de Green New Deal tot de Overeenkomst van Parijs, aan de verschillende regionale beleidsmaatregelen voor koolstofemissies - bekrachtig de noodzaak om het energieverbruik te beheersen en tegelijkertijd gebruik te maken van nieuwe hernieuwbare bronnen, zoals zonne- en windenergie. Het knelpunt voor beide inspanningen is de behoefte aan betere technologie voor energieopslag.

Het probleem met het integreren van hernieuwbare bronnen in ons energienetwerk is dat het moeilijk is om vraag en aanbod van energie te beheersen, gezien de onvoorspelbare aard van... de natuur. Dus, enorme energieopslagapparaten zijn nodig om alle energie op te vangen die wordt opgewekt wanneer de zon schijnt en de wind waait en deze vervolgens snel te kunnen uitgeven tijdens perioden van hoog energieverbruik.

"Hoe beter we worden in het oogsten en opslaan van energie, hoe meer we hernieuwbare energiebronnen kunnen gebruiken die intermitterend van aard zijn, "Zei Gogotsi. "Batterijen zijn als de silo van de boer - als hij niet groot genoeg is en zo gebouwd dat de gewassen behouden blijven, dan kan het moeilijk zijn om een ​​lange winter door te komen. In de energiesector op dit moment je zou kunnen zeggen dat we nog steeds proberen de juiste silo te bouwen voor onze oogst - en dat is waar nanomaterialen kunnen helpen."

De oplossing

Het ongedaan maken van de blokkade van energieopslag is een gezamenlijk doel geweest voor wetenschappers die technische principes toepassen op het creëren en manipuleren van materialen op atomair niveau. Alleen al hun inspanningen in het afgelopen decennium, die in het rapport naar voren kwamen, hebben de batterijen voor smartphones al verbeterd, laptops en elektrische auto's.

"Veel van onze grootste prestaties op het gebied van energieopslag in de afgelopen jaren zijn te danken aan de integratie van nanomaterialen, "Zei Gogotsi. "Lithium-ionbatterijen gebruiken al koolstofnanobuisjes als geleidende toevoegingen in batterij-elektroden om ze sneller op te laden en langer mee te gaan. En steeds meer batterijen gebruiken nanosiliciumdeeltjes in hun anodes om de hoeveelheid opgeslagen energie te vergroten.

De introductie van nanomaterialen is een geleidelijk proces en we zullen in de toekomst steeds meer materialen op nanoschaal in de batterijen zien."

batterij ontwerp, voor een lange tijd, is voornamelijk gebaseerd op het vinden van steeds betere energiematerialen en het combineren ervan om meer elektronen op te slaan. Maar, recenter, technologische ontwikkelingen hebben wetenschappers in staat gesteld om de materialen van apparaten voor energieopslag te ontwerpen om deze transmissie- en opslagfuncties beter te dienen.

Dit proces, nanostructurering genoemd, introduceert deeltjes, buizen, vlokken en stapels materialen op nanoschaal als de nieuwe componenten van batterijen, condensatoren en supercondensatoren. Hun vorm en atomaire structuur kunnen de stroom van elektronen versnellen - de hartslag van elektrische energie. En hun ruime oppervlakte biedt meer rustplaatsen voor de geladen deeltjes.

De effectiviteit van nanomaterialen heeft wetenschappers zelfs in staat gesteld om het basisontwerp van batterijen zelf te heroverwegen. Met metaalgeleidende nanogestructureerde materialen die ervoor zorgen dat elektronen vrij kunnen stromen tijdens laden en ontladen, batterijen kunnen behoorlijk wat gewicht en grootte verliezen door stroomafnemers van metaalfolie te elimineren die nodig zijn in conventionele batterijen. Als resultaat, hun vorm is niet langer een beperkende factor voor de apparaten die ze aandrijven.

Batterijen worden steeds kleiner, sneller opladen, langer meegaan en langzaam slijten, maar ze kunnen ook enorm zijn, geleidelijk opladen, grote hoeveelheden energie voor lange tijd opslaan en on-demand distribueren.

"Het is een zeer opwindende tijd om te werken op het gebied van materialen voor energieopslag op nanoschaal, " zei Ekaterina Pomerantseva, doctoraat, een universitair hoofddocent in het College of Engineering en co-auteur van het papier. "We hebben nu meer nanodeeltjes beschikbaar dan ooit - en met verschillende samenstellingen, vormen en bekende eigenschappen. Deze nanodeeltjes zijn net als Legoblokjes, en ze moeten op een slimme manier worden samengesteld om een ​​innovatieve structuur te produceren met prestaties die superieur zijn aan alle huidige apparaten voor energieopslag. Wat deze taak nog boeiender maakt, is het feit dat, in tegenstelling tot Legos, het is niet altijd duidelijk hoe verschillende nanodeeltjes kunnen worden gecombineerd om stabiele architecturen te creëren. En naarmate deze gewenste architecturen op nanoschaal steeds geavanceerder worden, deze taak wordt steeds uitdagender, triggeren het kritisch denken en de creativiteit van wetenschappers."

De toekomst

Gogotsi en zijn co-auteurs suggereren dat om te profiteren van de belofte van nanomaterialen, sommige productieprocessen moeten worden bijgewerkt en dat er voortdurend onderzoek moet worden gedaan naar hoe de stabiliteit van de materialen kan worden gegarandeerd naarmate hun omvang wordt vergroot.

"De kosten van nanomaterialen in vergelijking met conventionele materialen vormen een groot obstakel, en goedkope en grootschalige productietechnieken nodig zijn, "Zei Gogotsi. "Maar dit is al bereikt voor koolstofnanobuisjes met honderden tonnen productie voor de behoeften van de batterij-industrie in China. Het op deze manier voorbewerken van de nanomaterialen zou het gebruik van de huidige batterijproductieapparatuur mogelijk maken."

Ze merken ook op dat het gebruik van nanomaterialen de behoefte aan bepaalde giftige materialen die belangrijke componenten in batterijen waren, zou wegnemen. Maar ze stellen ook voor om milieunormen vast te stellen voor de toekomstige ontwikkeling van nanomaterialen.

"Telkens wanneer wetenschappers nieuwe materialen voor energieopslag overwegen, ze moeten altijd rekening houden met toxiciteit voor mens en milieu, ook in geval van accidentele brand, verbranden of bij het afval storten, ' zei Gogotsi.

Wat dit allemaal betekent, volgens de auteurs is dat nanotechnologie de opslag van energie veelzijdig genoeg maakt om mee te evolueren met de verschuiving in energievoorziening waar toekomstgericht beleid om vraagt.