Углеродные нанотрубки для улучшения энергетических систем

Углеродные нанотрубки обладают множеством возможностей для повышения эффективности преобразования фотоэлектрической энергии, включая замену технологий использования прозрачных проводящих пленок, а также применение в качестве материалов для изготовления электродов и электролитов в солнечных элементах

Рост мирового потребления энергии в сочетании с негативными экологическими последствиями от использования ископаемого топлива усиливает необходимость в использовании возобновляемых источников энергии.

Чтобы не отставать от стремительного роста энергетического спроса, необходимы новые, более эффективные технологии преобразования и хранения возобновляемой энергии, и углеродные нанотрубки (УНТ) играют в этом стремлении ключевую роль.

Благодаря превосходным электрическим, механическим и химическим свойствам, УНТ могут продемонстрировать свои преимущества при использовании в фотоэлектрических энергетических системах, суперконденсаторах и литий-ионных батареях.

Структура углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки - это структурированная разновидность углерода, состоящая из одного или нескольких листов графена, свернутых в цилиндр. Их уникальные свойства объясняются квантовыми эффектами, вызванными высокими значениями соотношения их сторон: диаметр составляет от 0,2 нм до 5 нм, а длина - от 10 нм до 1 см. Кроме того, направление вращения УНТ, определяющее их специфическую структуру, заставляет их проявлять различные физические свойства. Использование этих свойств, в том числе высокой механической прочности, эластичности, отношения поверхности к объему, теплопроводности и подвижности электронов способствует улучшению преобразования и хранения энергии.

Применение углеродных нанотрубок и возникающие при этом трудности

Использование УНТ в качестве электродов и электролитов широко исследуется благодаря их уникальным свойствам. Однако возможности их применения в разработке технологий преобразования и хранения энергии имеют значительно более широкий диапазон.

УТН окажут решающее значение в грядущем появлении высокоэффективных фотоэлектрических технологий. Солнечные батареи в качестве возобновляемых источников энергии популярны благодаря своей относительно низкой стоимости, простоты установки и обилия энергетического ресурса - солнечного света.

Однако низкая эффективность преобразования солнечной энергии панелями ставит задачу их улучшения с помощью новых технологий. Современные кремниевые солнечные элементы имеют КПД от 21,9 до 26,7%. Солнечные ячейки других типов, например с использованием тонкой пленки GaAs, имеют повышенную эффективность преобразования, однако их производство обходится намного дороже.

УНТ обладают множеством возможностей для повышения эффективности преобразования фотоэлектрической энергии, включая замену технологий использования прозрачных проводящих пленок, а также применение в качестве материалов для изготовления электродов и электролитов в солнечных элементах.

Тонкие прозрачные пленки покрывают открытую поверхность солнечных элементов, отвечая требованиям высокой электропроводности и прозрачности для видимого света. Наиболее распространенные в применении прозрачные пленки состоят из оксида олова, легированного индием и оксида олова, легированного фтором. Они обладают сильными оптоэлектронными свойствами, однако ограничены в возможностях, связанных с их механической обработкой и высокими производственными затратами при их изготовлении.

УНТ имеют те же характеристики, но вместе с тем обладают большей механической прочностью, гибкостью, химической стабильностью и более низкими производственными затратами. По этой причине УНТ широко исследуются в качестве замены традиционных материалов для изготовления прозрачных проводящих пленок.

Включение УНТ в состав электродов литий-ионных батарей - путь к совершенствованию технологий аккумулирования энергии. Литий-ионные аккумуляторы произвели революцию в индустрии хранения энергии благодаря своей высокой емкости, выдаваемой мощности и портативности.

Однако сейчас настало время для повышения их удельной мощности и безопасности. УНТ могут улучшить характеристики электродов аккумуляторных батарей благодаря своей высокой электро- и теплопроводности, механической гибкости и большой площади поверхности.

На данный момент широкомасштабное внедрение УНТ в энергетические системы сталкивается с множеством трудностей. Большинство из них связано с тем, что УНТ должны производиться в больших масштабах и с низкими производственными затратами. Кроме этого, до сих пор сохраняется невозможность точного контроля заданной структуру всей партии УНТ. Поскольку физические свойства трубок сильно зависят от их структуры, то это негативно сказывается на их качестве изготовления, чтобы удовлетворять требованиям энергетических систем.

Источник: Stanford University