Η καινοτόμος αρχιτεκτονική θέτει τα πρότυπα για την κλιμάκωση υπερχωρητικών συσκευών αποθήκευσης ενέργειας

«Η οικονομία μεγέθους είναι σημαντική. επιτρέπει οικονομίες ενέργειας. Η φύση το κάνει μέσω της εξέλιξης και της προσαρμογής – η ανθρώπινη εφευρετικότητα το κάνει μέσω της κομψότητας, με συντομεύσεις αν προτιμάτε», είπε ο καθηγητής Ioan Stamatin, επικεφαλής του εργαστηρίου 3Nano-SAE στη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου του Βουκουρεστίου στη Ρουμανία. "Ο κομψός σχεδιασμός, που δόθηκε από την πρόοδο στην επιστήμη και τη νανοτεχνολογία των λέιζερ, μπορεί να προσφέρει ενδιαφέρουσες λύσεις για το κλιμακούμενο ζήτημα της αποθήκευσης ενέργειας, σε όλες τις τεχνολογικές του εκφάνσεις."

Η αρχιτεκτονική Space-Filling Supercapacitor Carpet (SFSC) επιτρέπει τη συμμετρική κλιμάκωση επίπεδων υπερπυκνωτών πέρα ​​από τα όρια μεγέθους που συνηθίζονται στη μικροηλεκτρονική. Εισάγει μια διαμόρφωση πολλαπλών ένθετων ηλεκτροδίων που βασίζεται σε προ-φράκταλ σχέδια. Αυτό επιτρέπει στις συσκευές υπερπυκνωτών να ενσωματωθούν σε μεγαλύτερες και πιο απαιτητικές εφαρμογές. Αναπτύχθηκε ως διδακτορικό και μεταδιδακτορικό έργο, η αρχιτεκτονική που εκκρεμεί για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας παρουσιάζεται στην πιο πρόσφατη έκδοση του κύρους Journal of Power Sources με κριτές .

Οι υπερπυκνωτές είναι επαναφορτιζόμενες συσκευές που αποθηκεύουν ενέργεια στη διεπαφή ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη, την ηλεκτροχημική διπλή στρώση. Με μεγαλύτερες χωρητικότητες από τους συμβατικούς πυκνωτές, οι ρυθμοί φόρτισης-εκφόρτισης ανεβαίνουν υψηλότερα από τις μπαταρίες. Θεωρούνται ως πολλά υποσχόμενες εφαρμογές στα ηλεκτρονικά, τις επικοινωνίες και τις μεταφορές, δεν παρουσιάζουν κανέναν από τους κινδύνους που σχετίζονται με τις μπαταρίες και προσφέρουν περιβαλλοντική και λειτουργική ασφάλεια παράλληλα με μια σχεδόν απεριόριστη διάρκεια ζωής. Οι προτεινόμενες εφαρμογές περιλαμβάνουν:αδιάλειπτα τροφοδοτικά (εφεδρική προστασία έναντι διακοπής ρεύματος), στάθμες φορτίου (εφεδρική ισχύς για μικροηλεκτρονικά) και βοηθητικές πηγές ενέργειας για ηλεκτρικά οχήματα – με την προϋπόθεση ότι η ενεργειακή τους πυκνότητα μπορεί να ενισχυθεί χωρίς να θυσιάζεται η πυκνότητα ισχύος τους.

Ο Δρ. Θάνος Τιλιάκος, επικεφαλής ερευνητής του έργου και εφευρέτης της αρχιτεκτονικής SFSC, εξήγησε:«Ξεκινήσαμε εξετάζοντας εναλλακτικά σχέδια ηλεκτροδίων. Οι καμπύλες πλήρωσης χώρου κατασκευάζονται με αναδρομικές αλγοριθμικές ακολουθίες, με διαδοχικές επαναλήψεις που προσεγγίζουν περισσότερο το όριο πλήρωσης χώρου. Το συνολικό μήκος μιας καμπύλης πλήρωσης χώρου αυξάνεται εκθετικά με κάθε επανάληψη του ριζικού αλγορίθμου της, με τις υψηλότερες επαναλήψεις να γεμίζουν πλήρως μια επιφάνεια."

«Έχοντας προηγηθεί η γεωμετρία φράκταλ κατά έναν αιώνα, οι καμπύλες που γεμίζουν χώρο είναι μαθηματικές παραξενιές πριν από το φράκταλ. Η χρήση τους στη μικροηλεκτρονική δεν είναι μια νέα ιδέα. στην αποθήκευση ενέργειας, προτάθηκαν ήδη από το 1998. Στην ηλεκτρονική επικοινωνία, βρήκαν εφαρμογή σε κεραίες και συντονιστές, μετατοπιστές φάσης, ανακλαστήρες πολλαπλών ζωνών και φωτονικούς κρυστάλλους. Οι πρόσφατες εξελίξεις κατέδειξαν επίσης τα μηχανικά τους πλεονεκτήματα στα ελαστικά ηλεκτρονικά. Η βασική ιδέα πίσω από κάθε εφαρμογή είναι ο εντοπισμός της κατάλληλης γεωμετρίας που ικανοποιεί τις απαιτήσεις της με τη μικρότερη δυνατή θυσία – και υπάρχει πάντα ένα τίμημα που πρέπει να πληρωθεί. Γενικά, ωστόσο, οι επιλογές περιορίζονται από την τεχνολογική ικανότητα που απαιτείται για την εφαρμογή τους.»

Τα SFSC εκτυπώνονται με λέιζερ μέσω της μεθόδου LIG πυρόλυσης λέιζερ με χρήση εμπορικού CO₂ CNC λέιζερ για φωτοπυρόλυση πρόδρομων ουσιών πολυιμιδίου σε πορώδεις γραφιτικές δομές (αφροί με βάση το γραφένιο) υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας και χωρητικότητας διπλής στρώσης. Η μέθοδος LIG, που πρωτοστάτησε από την ομάδα James Tour του Πανεπιστημίου Rice το 2014, διερευνήθηκε περαιτέρω σε προηγούμενες εργασίες της ρουμανικής ομάδας και προσαρμόστηκε για να εξυπηρετεί την εκτύπωση υψηλής ανάλυσης περίπλοκων σχεδίων, όπως καμπύλες που γεμίζουν χώρο. Αυτό επέτρεψε την εφαρμογή συγκεκριμένων γεωμετριών που προσφέρουν απαράμιλλα πλεονεκτήματα σε σύγκριση με παλαιότερες μικροηλεκτρονικές προσαρμογές. Βασισμένες σε τριαδικές αντί για δυαδικές αντιστοιχίσεις διαστήματος, τέτοιες καμπύλες επιτρέπουν στο κύριο ηλεκτρόδιο να τοποθετηθεί πολλαπλά – αντί για ένα – συμπληρωματικά ηλεκτρόδια. Εκτός από το εκθετικά αυξανόμενο μήκος ανά επανάληψη κάθε ηλεκτροδίου, το φαινόμενο της κατανεμημένης χωρητικότητας επιτρέπει τη λεπτομέρεια τόσο της συνολικής χωρητικότητας όσο και της αντίστασης ισοδύναμης σειράς με την κατάλληλη επιλογή επαναλήψεων καμπύλης και συνολικού αριθμού ένθετων ηλεκτροδίων.

Άλλα πλεονεκτήματα της αρχιτεκτονικής περιλαμβάνουν ειδικές και βαρυμετρικές τιμές χωρητικότητας σε σχέση με το υλικό του ηλεκτροδίου (πάνω από το εύρος που καθορίστηκε από προηγούμενες εφαρμογές LIG και υψηλότερο από το εύρος που καθορίστηκε από άλλες εύκαμπτες συσκευές με βάση το γραφένιο). ευελιξία σε όλες τις διαστάσεις για εύκαμπτα υποστρώματα, προσθέτοντας ελαστικότητα όταν μεταφέρονται σε ελαστομερή υποστρώματα. εναλλακτικοί προσανατολισμοί και διαμορφώσεις λόγω ισομορφισμού. και μη αναγεννητική αντοχή, επιτρέποντας στη συσκευή να επιβιώσει από δομικές βλάβες με διαίρεση σε ανεξάρτητες λειτουργικές υπομονάδες.

Ο Δρ Τιλιάκος –τώρα στο Εθνικό Ινστιτούτο Φυσικής Λέιζερ, Πλάσματος και Ακτινοβολίας– κατέληξε:«Όταν ο σχεδιασμός και η τεχνολογία συναντώνται, τα τελικά αποτελέσματα είναι συναρπαστικά. Με τα τρέχοντα πρωτότυπά μας να φτάνουν τα ίχνη των 800 cm, πιέζουμε προς το ορόσημο του 1 m με τις σχετικές αυξήσεις χωρητικότητας και ενεργειακής απόδοσης, λαμβάνοντας υπόψη και άλλες εφαρμογές της αρχιτεκτονικής SFSC. Αυτή είναι μόνο η αρχή."

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο Space-filling Supercapacitor Carpets:Highly Scalable Fractal Architecture for Energy Storage, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Power Sources. Αυτή η εργασία έγινε από τον Α. Τηλιακό, Α.Μ.Ι. Trefilov, E. Tanasӑ, A. Balan και I. Stamatin από το Πανεπιστήμιο του Βουκουρεστίου.

Σχετική εργασία:

1. Α. Τηλιακός, Α.ΜΗ. Trefilov, E. Tanasӑ, A. Balan, I. Stamatin (2018). Χαλιά υπερπυκνωτών που γεμίζουν χώρο:Αρχιτεκτονική φράκταλ υψηλής κλιμάκωσης για αποθήκευση ενέργειας. Journal of Power Sources 384 , 145-155. (https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378775318301824)
2. Α. Tiliakos, “Form-factor optimization of Energy storage devices”, Nano S&T-2017 – 7 Annual World Congress of Nano Science and Technology, 24-26 Οκτωβρίου 2017, Fukuoka, Japan
3. Α. Τιλιάκος, C. Ceaus, S.M. Iordache, E. Vasile, I. Stamatin (2016). Μορφικές μεταβάσεις νανοανθράκων μέσω πυρόλυσης λέιζερ φιλμ πολυιμιδίου. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 121 , 275-286. (https://doi.org/10.1016/j.jaap.2016.08.007)