วัสดุสำหรับพลังงาน

พิจารณารถยนต์ไฟฟ้า ไม่ว่าภาพของคุณจะเป็น ยานพาหนะดังกล่าวประกอบด้วยสองส่วนหลัก มีชิ้นส่วนไฟฟ้า (แบตเตอรี่และมอเตอร์) และชิ้นส่วนโครงสร้าง (ตัวถังรถ) งานเดียวของแบตเตอรี่คือเก็บและจ่ายพลังงานไฟฟ้า ฟังก์ชันโครงสร้างเท่าที่มี ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเคสเท่านั้น และโดยทั่วไปจะจำกัดเพียงการปกป้องแบตเตอรี่เท่านั้น ตัวถังรถมีความสมบูรณ์ของโครงสร้างแต่ไม่เก็บพลังงานไฟฟ้า 

อย่างไรก็ตาม 

ในบางสถานการณ์ อาจเป็นไปได้ (และเป็นที่ต้องการอย่างยิ่ง) ที่จะรวมสองด้านนี้ไว้ในวัสดุชิ้นเดียว ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถทำหน้าที่ทั้งโครงสร้างและการเก็บพลังงานตามชื่อของมัน วัสดุโครงสร้างมัลติฟังก์ชั่นดังกล่าวทำหน้าที่สองอย่างหรือมากกว่าพร้อมๆ กัน ซึ่งปกติแล้วจะต้องแยกจากกัน ตัวอย่างเช่น 

บทบาททางโครงสร้างอาจรวมกับคุณสมบัติทางแสง ไฟฟ้า แม่เหล็ก หรือความร้อน ในบางกรณี อุปกรณ์ที่ซับซ้อนทั้งหมดสามารถสร้างขึ้นภายในหรือจากวัสดุโครงสร้างหลักก็ได้ความสามารถรอบด้านนี้หมายความว่าวัสดุดังกล่าวสามารถนำไปใช้ในพื้นที่ต่างๆ มากมาย ตั้งแต่การเก็บพลังงานไป

จนถึงบรรจุภัณฑ์ ศักยภาพในการประหยัดน้ำหนักและปริมาตรทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ เครื่องบิน และยานพาหนะไฟฟ้าหรือไฮบริดมีความน่าสนใจเป็นอย่างยิ่งด้วยความนิยมที่เพิ่มขึ้นของรถยนต์ไฟฟ้า อุปกรณ์มัลติฟังก์ชั่นที่รวมประสิทธิภาพของโครงสร้างเข้ากับการเก็บพลังงาน

จึงเป็นสิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษ พูดอย่างกว้าง ๆ มีสองวิธีในการสร้างอุปกรณ์เหล่านี้ กลยุทธ์หนึ่งคือการประหยัดปริมาณโดยการรวมอุปกรณ์เก็บพลังงานทั่วไป เช่น แบตเตอรี่ เข้ากับวัสดุโครงสร้างหลัก ซึ่งจะเป็นการสร้างโครงสร้างอเนกประสงค์ แท้จริงแล้ว ระบบดังกล่าวได้ถูกพูดถึงในช่วงกลางทศวรรษ 2000. 

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าการสร้างโครงสร้างมัลติฟังก์ชั่นเหล่านี้จะค่อนข้างตรงไปตรงมา แต่ก็ช่วยให้ประหยัดน้ำหนักได้จำกัดเท่านั้น วิธีที่ 2 ซึ่งซับซ้อนกว่าแต่มีความท้าทายมากกว่าคือการทำให้แน่ใจว่าส่วนประกอบแต่ละชิ้นของอุปกรณ์มัลติฟังก์ชั่นสามารถทำงานได้มากกว่า 1 บทบาท และตัวมันเอง

ประกอบขึ้น

จากวัสดุมัลติฟังก์ชั่นตามที่เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันได้อธิบายไว้ในปี 2013 และตัวฉันเอง กำลังทำงานเพื่อพัฒนาวัสดุกักเก็บพลังงานแบบมัลติฟังก์ชั่น ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการที่ได้รับทุนสนับสนุนจากสภาวิจัยวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์กายภาพแห่งสหราชอาณาจักร 

เป้าหมายคือเพื่อพัฒนาความรู้ที่เราต้องการเพื่อสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติที่เราสามารถควบคุมและปรับแต่งได้ แต่เราไม่ได้อยู่คนเดียว: นักวิจัยคนอื่น ๆ ทั่วโลกกำลังพัฒนาวัสดุกักเก็บพลังงานไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีแบบมัลติฟังก์ชั่นโดยใช้หลักการกักเก็บพลังงานที่แตกต่างกัน นักวิจัยบางคนกำลังทำเช่นนี้

ผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า (เช่นในแบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิง) ในขณะที่คนอื่น ๆ กำลังมุ่งเน้นไปที่การสะสมประจุไฟฟ้าสถิต (เช่นในตัวเก็บประจุและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์) ในที่สุด การทำงานในพื้นที่นี้อาจนำไปสู่เครื่องบินไฟฟ้าเต็มรูปแบบทำการแลกเปลี่ยนโดยทั่วไป วัสดุอเนกประสงค์เพียงชิ้นเดียว

จะไม่ได้ประสิทธิภาพเต็มที่จากวัสดุฟังก์ชันเดียวแต่ละชิ้นที่แทนที่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมันมาแทนที่วัสดุหรืออุปกรณ์สองชิ้น ประสิทธิภาพจึงต้องดีพอที่จะลดน้ำหนักของระบบโดยรวม เพื่อทำความเข้าใจว่าอะไรคือ “ดีเพียงพอ” การกำหนดดัชนีประสิทธิภาพอาจเป็นประโยชน์ตาม แนะนำในปี 2004 

ตราบใดที่ผลรวมของประสิทธิภาพทางโครงสร้างและทางไฟฟ้ามีค่ามากกว่า 1 (สมมติว่าแต่ละคุณสมบัติในวัสดุที่มีฟังก์ชันเดียวมีประสิทธิภาพเท่ากับ 1) ก็จะสามารถประหยัดน้ำหนักและปริมาตรสุทธิได้การพิจารณาที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือประสิทธิภาพโดยรวมของอุปกรณ์เก็บพลังงาน ปัจจัยสำคัญในที่นี้

คือความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งจะวัดปริมาณพลังงานที่สามารถเก็บไว้ในอุปกรณ์ และความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งควบคุมว่าพลังงานสามารถถ่ายโอนได้เร็วเพียงใด ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิงมีความหนาแน่นของพลังงานสูงแต่มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำ ในขณะที่ตัวเก็บประจุ

มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า แต่โดยทั่วไปแล้ว อิเล็กโทรดของแบตเตอรี่จะเปลี่ยนรูปร่างเมื่อกระแสไหลผ่าน ซึ่งนำไปสู่ความเครียดและการเสื่อมสภาพ สิ่งที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คือสถาปัตยกรรมแบบเลเยอร์ ซึ่งคล้ายกับลามิเนตคอมโพสิตทั่วไปอย่างมาก (รูปที่ 1)

มีความคล้ายคลึงกันอื่น ๆ ระหว่างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไปและวัสดุผสมด้วย ตัวอย่างเช่น คาร์บอนถูกใช้ในทั้งสองอย่าง แม้ว่าโดยปกติจะอยู่ในรูปแบบที่แตกต่างกัน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไปใช้คาร์บอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรดเนื่องจากมีพื้นที่ผิวสูงและนำไฟฟ้าได้ดี ในทางตรงกันข้าม คาร์บอนในวัสดุผสม

มักจะใช้เป็น

ตัวเสริมแรงเนื่องจากประสิทธิภาพเชิงกลที่ดีเยี่ยม ดังนั้น เพื่อให้บรรลุการทำงานแบบมัลติฟังก์ชั่น จึงต้องมีการรวมคุณสมบัติทั้งสองชุดเข้าด้วยกัน ซึ่งเปิดโอกาสมากมายสำหรับการทดลองดัดแปลงคาร์บอนพอลิเมอร์เป็นส่วนประกอบอื่นที่พบได้ทั่วไปในอุปกรณ์กักเก็บพลังงานและวัสดุผสม

ในกรณีของพวกเขา ฟังก์ชันที่ทับซ้อนกันนั้นตรงไปตรงมาน้อยกว่า ในวัสดุผสม โพลิเมอร์ต้องมีความแข็งเนื่องจากต้องรับแรงเฉือนสูง ในอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมี ร่วมกับอิเล็กโทรไลต์และตัวทำละลาย โพลิเมอร์ต้องเคลื่อนที่ได้เพียงพอที่จะยอมให้ไอออนนำไฟฟ้าได้ การบรรลุถึงการผสมผสานที่จำเป็น

ของค่าการนำไฟฟ้าไอออนสูงและประสิทธิภาพเชิงกลที่ดีเป็นสิ่งที่ท้าทาย เนื่องจากลักษณะเฉพาะของวัสดุที่แท้จริงขัดแย้งกันเองวิธีหนึ่งที่มีแนวโน้มจะแก้ไขข้อขัดแย้งนี้คือการออกแบบวัสดุที่มีเฟสสองเฟสต่อเนื่องและเชื่อมต่อถึงกัน: เฟสหนึ่งรับผิดชอบต่อประสิทธิภาพของโครงสร้างและอีกเฟสหนึ่ง

Credit : ฝากถอนไม่มีขั้นต่ำ / สล็อตแตกง่าย