5 новых материалов для эффективного хранения энергии

Описание

Ознакомьтесь с пятью революционными материалами, меняющими наши представления о способах хранения энергии. Здесь мы объясняем преимущества и недостатки каждого материала простым языком, с комментариями эксперта в области химии и инженерии.

Графен

Графен - это разновидность углерода, которая славится чрезвычайно тонким одноатомным слоем и высокой проводимостью. Графен перспективен в качестве материала для хранения энергии, поскольку он может улучшить работу батарей и конденсаторов. Его электропроводность обеспечивает быстрое перемещение зарядов, что может привести к ускоренной разрядке и зарядке. Графен также очень прочен и гибок, что позволяет создавать прочные и легкие накопители энергии. Исследования показывают, что использование графена в накопителях энергии позволяет создавать устройства с более длительным сроком службы, способные работать в более экстремальных условиях.

Литий-серные батареи

Литий-серные (Li-S) батареи стали сильным соперником традиционных литий-ионных архитектур. Причина такого ажиотажа заключается в том, что они способны вмещать больше энергии и имеют меньший вес. Одной из важных характеристик литий-ионных батарей является то, что в качестве материала для катода в них используется сера, а она недорога и доступна. При всех этих преимуществах у литий-серных батарей есть и недостатки, например, образование нежелательных побочных продуктов, которые со временем ухудшают их характеристики. Ученые работают над преодолением этих препятствий, совершенствуя химический состав и дизайн батарей. После усовершенствования Li-S батареи смогут более эффективно питать все - от мобильных устройств до электромобилей.

Твердотельные электролиты

Твердотельные электролиты произведут революцию в области хранения энергии, поскольку они заменят жидкий электролит, используемый в обычных батареях. Благодаря твердому материалу батареи становятся более безопасными, так как риск утечек и возгораний гораздо меньше. Твердотельные батареи также обещают более длительный срок службы и повышенную плотность энергии. Проблема твердотельных электролитов заключается в поиске материалов, которые позволят ионам двигаться через них так же легко, как в жидкостях. Исследователи изучают несколько видов керамики и полимеров, чтобы определить наиболее жизнеспособные из них. По мере совершенствования материалов твердотельные электролиты позволят хранить энергию безопаснее, надежнее и дешевле.

Материалы с фазовыми изменениями

Материалы с изменением фазы (PCM) - еще один новый метод хранения энергии. ПКМ хранят энергию в виде тепла на основе явлений плавления и замерзания. При плавлении ПКМ вбирает в себя много энергии, а при замерзании отдает ее обратно. Это делает их очень подходящими для использования в таких областях, как тепловой контроль зданий и электронное управление температурой. Одним из преимуществ ПКМ является то, что они могут работать в широком диапазоне температур и хранить энергию без сложных систем. Интеграция ПКМ в повседневные энергетические системы требует тщательного проектирования, чтобы фазовые изменения температуры происходили надежно и контролируемо.

Металло-воздушные батареи

Металло-воздушные батареи - одна из самых перспективных разработок в области хранения энергии. В этих батареях в качестве одного из реактивов используется кислород из воздуха, что позволяет значительно снизить их вес и стоимость. Металло-воздушные батареи могут иметь высокую плотность энергии, а в качестве анода в них используются такие металлы, как цинк или алюминий. Поскольку кислород - это богатый ресурс, такие батареи не только экономически эффективны, но и экологически безопасны. Несмотря на все эти преимущества, металло-воздушные батареи все еще находятся на стадии исследований из-за таких трудностей, как образование побочных продуктов во время реакции и поддержание стабильной работы в течение многих циклов. Однако инженеры с оптимизмом ожидают, что в недалеком будущем продолжающиеся исследования приведут к созданию практичных и высокопроизводительных металло-воздушных батарей. Дополнительную информацию можно получить в Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

F: Почему графен является хорошим материалом для хранения энергии?

В: Графен является проводящим, прочным и податливым материалом, что может привести к ускоренной зарядке и созданию более надежных устройств хранения энергии.

F: Что в твердотельных электролитах делает батареи более безопасными?

В: Они устраняют риск утечки жидкости и снижают риск возгорания за счет использования твердых материалов вместо легковоспламеняющихся жидкостей.

F: Почему воздушно-металлические батареи более экологичны?

В: Металлические воздушные батареи используют кислород из воздуха в качестве реактива, что снижает потребность в токсичных или тяжелых материалах и потенциально уменьшает воздействие на окружающую среду.