Прогресс в области возобновляемых источников энергии и электрического транспорта побудил ученых искать способы решения проблемы эффективного хранения и накопления энергии, которое имеет ключевое значение для внедрения технологий экологически безопасной энергетики.
Большинство исследований на протяжении последних десятилетий сосредоточено на совершенствовании электрических батарей. Они ставят перед собой задачу сделать литий-ионные батареи более безопасными и эффективными и заменить дорогостоящие редкие химические элементы в аккумуляторах более дешевыми. Так или иначе, большинство предыдущих исследований были посвящены химическим способам сохранения энергии и электрохимическим реакциям в батареях.
В настоящее время исследователи из Квинслендского технологического университета (QUT) в Австралии предлагают конструкцию, основанную на использовании механических свойств наноструктур, содержащих алмазы, которые могут быть применены в устройствах для аккумулирования механической энергии, включая батареи, биомедицинские сенсорные системы, портативные приборы, а также небольшие робототехнические аппараты и электронику.
Уникальные механические свойства пучка алмазных нановолокон позволяют ему сохранять и выделять энергию при растяжении и скручивании. Эти пучки состоят из одномерных карбоновых нитей.
«Подобно сжатой пружине в детской заводной игрушке, энергия может высвобождаться при раскручивании витого пучка» – поясняет доктор Хайфэй Чжань из Центра материаловедения QUT. Чжань и его коллеги обнаружили, что алмазные пучки обладают высокой плотностью энергии, или энергоемкостью. Этот показатель представляет собой соотношение энергии системы с его массой. Команда ученых успешно смоделировала возможности накопления и высвобождения энергии пучком нановолокон и опубликовала свою исследовательскую работу в журнале Nature Communications.
Созданная ими модель является лишь первым шагом в исследовании потенциала аккумулирования механической энергии по сравнению с электрохимической. В настоящее время австралийские ученые планируют разработать экспериментальную наноразмерную механическую энергосистему в качестве прототипа, а следующие два-три года они посвятят созданию системы, которая будет осуществлять управление скручиванием и растягиванием пучка нановолокон.
Несмотря на то, что исследования алмазных нановолокон находятся на самых ранних стадиях, первые эксперименты привели к весьма многообещающим результатам. По словам исследователей из Квинслендского технологического университета, по сравнению с литий-ионными батареями алмазный пучок нановолокон имеет в три раза большую энергоемкость.
«Материалы с высокой энергоемкостью имеют огромное значение для решения самых разных задач, поэтому мы всегда ищем материалы с низкой плотностью, которые при этом могут хранить большое количество энергии», – сказал доктор Чжань.
Высокая энергоемкость и малый вес используемых материалов могут привести к крупному прорыву в решении проблемы, над которой давно работают ученые всего мира: как «упаковать» большой энергетический потенциал в легкое аккумуляторное устройство.
Из-за своего малого веса алмазные нановолокна могут найти применение в аэрокосмической электронике. Исследователи из QUT говорят, что благодаря механической, а не электрохимической природе потенциала накопления энергии, пучки нановолокон могут быть использованы для имплантируемых биомедицинских сенсорных систем, контролирующих функции сердца и мозга. А что касается аккумуляторных батарей, механическая энергия была бы более безопасной, чем электрохимические реакции в литий-ионных батареях.
«В отличие от химических систем хранения энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы, в которых для хранения и выделения энергии используются электрохимические реакции, использование механической энергии само по себе связано с гораздо меньшими рисками», – сказал доктор Чжань.
Механические системы накопления энергии являются одним из многих относительно новых исследовательских проектов и инноваций в области хранения энергии. Ученые и их партнеры из инновационных компаний решили доказать, что тепло, гравитация и геотермальная энергия также могут накапливаться для последующего использования.
В то время как литий-ионные батареи в настоящее время являются наиболее популярным и широко применяемым решением для хранения энергии, вполне вероятно, что будущее за наноструктурами, использующими не электрохимическую, а механическую энергию.
По данным Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) Министерства энергетики США, постоянно снижающаяся себестоимость технологий, связанных с получением возобновляемой энергии, сопровождается ростом интереса к способам ее накопления и различным решениям, направленным на совершенствование систем хранения.
«Существует весьма распространенное заблуждение. Принято считать, что хранение энергии непременно должно быть связано с электрохимическими реакциями в аккумуляторной батарее, – говорит Адарш Нагарджан, руководитель группы по проектированию энергетических систем в NREL, которая работает над интеграцией возобновляемых источников в энергосети. – На самом деле это понятие гораздо шире, поскольку аккумулированию подлежат многие другие формы энергии».
