حوزه های صنعتـــی
حوزه های صنعتـــی
مشاهده گزارش
چگونه نانومواد سلولزی می‌توانند ظرفیت ذخیرهسازی انرژی تجدیدپذیر را بهبود بخشند؟

چگونه نانومواد سلولزی می‌توانند ظرفیت ذخیره‎سازی انرژی تجدیدپذیر را بهبود بخشند؟

تاریخ : ۱۳۹۹/۰۲/۲۶ تعداد بازدید :‌ ۱۵۷۹
بسیاری از افراد هنگام بحث در مورد کاربرد پلیمرها با نانومواد، به طور خودکار پلیمرهای مصنوعی را در نظر می‌گیرند. با این وجود، طیف وسیعی از مواد پلیمری به طور طبیعی وجود دارند که از خواص بسیار مناسبی برخوردارند و اغلب برای بعضی از کاربردها نسبت به پلیمرهای مصنوعی مناسب‌تر هستند.

یکی از مهم‌ترین پلیمرهایی که به طور طبیعی وجود دارد «سلولز» است. از آنجا که این ماده در دیواره سلولی گیاهان و درختان یافت می‌شود، به وفور در سراسر زمین وجود دارد. سلولز یک پلیمر با زنجیره خطی متشکل از صدها تا هزاران مولکول گلوکز است که از طریق پیوندهای گلیکوزیدی (4-1) β با فرمول شیمیایی کلی n(C6H10O5) تشکیل شده است. این ماده یک پلیمر طبیعی است که هم در صنایع مختلف شناخته‌‌شده است و هم بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

سلولز به عنوان نانومواد

سلولز، گذشته از اینکه یک پلیمر طبیعی رایج است، یکی از موادی است که به صورت نانو (nanoform) یافت می‌شود. نانوسلولز از این جهت که ماده سلولز در سطح نانو است؛ مانند هر پلیمر نانوی دیگری است، اما در واقع انواع مختلفی از نانوسلولز وجود دارد. انواع اصلی آن شامل نانوکریستال‌های سلولز (CNCs) و نانوالیاف سلولز (CNFs) است که هر دو به صورت تجاری در دسترس هستند.

نانوسلولز دارای ویژگی‌های مختلف از جمله شفاف بودن، رسانایی الکترونیکی و استحکام کششی زیاد است و به علت عامل‌دارسازی آسان سطح بسیار قابل تنظیم است. این ویژگی‌ها نانوسلولز را برای بسیاری از کاربردهای مختلف به ماده‌ای مفید و گزینه‌ای‌ مناسب تبدیل نموده است.

علاوه بر این، ماهیت زیستی، فراوانی محصول و سهولت تولید در مقیاس زیاد، آن را نسبت به بسیاری از پلیمرهای مصنوعی به جایگزینی کم‌هزینه و سازگار با محیط‌زیست تبدیل کرده است.

 

استفاده از نانوسلولز در ذخیره‌سازی انرژی

نانوسلولز ماده‌ای است که به صورت تجاری در دسترس است. مهم‌ترین کاربرد نانوسلولز استفاده از آن به عنوان جایگزینی بیولوژیک و سازگار با محیط‌زیست برای مواد بسته‌بندی متداول در بسته‌بندی مواد غذایی است، اما این ماده در طیف وسیعی از کاربردها نیز استفاده می‌شود. یکی از کاربردهایی که در حال حاضر مورد بررسی قرار گرفته‌ است، استفاده از نانوسلولز برای ذخیره‌سازی انرژی است.

 

ذخیره‌سازی انرژی فوق باریک

از نانوسلولز می‌توان برای ساخت دستگاه‌های فوق باریک (ultrathin) استفاده کرد. این دستگاه‌ها می‌توانند انرژی را به روش‌هایی ذخیره کنند که تنها با چند دستگاه‌ منتخب امکان‌پذیر است. در حالی که ممکن است ظرفیت‌ این دستگاه‌ها به اندازه سایر دستگاه‌ها زیاد نباشد، استفاده از نانوسلولز با باز کردن فضاهایی که ممکن است در صورت عدم استفاده از آن امکان‌پذیر نباشد، به بهبود ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر کمک می‌کند. بنابراین، می‌توان از نانوسلولز برای بهبود ظرفیت کلی ذخیره‌سازی انرژی به صورت یک فضای کامل، استفاده کرد.

دستگاه‌های مختلفی وجود دارد که ساخته شده اند که در این فضا قرار می‌گیرند. گستره آن‌ها از دستگاه‌های یک‌ بعدی (که از ماهیت لیفی شکل نانوسلولز  بهره می‌برند) تا شبکه‌های هیبریدی سه ‌بعدی متغیر است.

مثال‌های خاص شامل ماکروالیاف نانوسلولزی یک ‌بعدی است که با مواد کربنی متخلخل جاسازی شده اند تا به صورت ابرخازن‌های پوشیدنی و ماکروالیاف یک ‌بعدی عمل کنند. این مواد با نانولوله‌های کربنی پوشش داده شده اند تا به عنوان مخازن الکترولیت عمل کنند.

مثال‌های دو بعدی شامل استفاده از نانوسلولز به عنوان ماده زیرلایه برای مواد دو بعدی (مانند گرافن و نیترید بور شش ضلعی) در باتری‌های کاغذی و ابرخازن‌ها و همچنین استفاده از نانوسلولز به عنوان غشای جداکننده در دستگاه‌های کاغذی است.

از لحاظ معماری سه‌بعدی، نانوسلولز در بخش‌های مختلفی از دستگاه‌های ذخیره‌‌کننده انرژی استفاده می‌شود تا عملکرد الکتروشیمیایی این دستگاه‌ها از جمله درون الکترودها، جمع‌کننده‌های جریان و غشاهای جداکننده را بهبود بخشد.

 

باتری‌های جریانی

طبق یکی از آخرین تحقیقات به دست آمده در دانشگاه نورت‌ایسترن، متخصصان این دانشگاه از نانومواد مشتق‌شده از سلولز به عنوان غشا در باتری‌های جریانی برای ذخیره‌سازی انرژی که از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشید و باد به دست آمده بود، استفاده کردند.

باتری‌های جریانی، باتری‌های بسیار بزرگی هستند که از مخازن بزرگ پر از الکترولیت برای ذخیره و تولید بار (charge) استفاده می‌کنند. در حالی که اندازه مخازن در میزان انرژی ذخیره شده مهم است، یک غشای یونی گزینش‌پذیر (selective) نیز وجود دارد که یکی از مؤلفه‌های اصلی آن است، زیرا حرکت یون‌های هیدروژن را تسهیل می‌کند و بارهای تشکیل شده در هر طرف سلول را متعادل می‌کند.

با این حال، بسیاری از غشاهای مورد استفاده در داخل باتری‌های سلول جریانی بسیار راحت تجزیه می‌شوند و باعث مخلوط شدن محلول‌های الکترولیت می‌گردند و پایداری و ظرفیت باتری را در طول دوره‌های زمانی طولانی کاهش می‌دهند.

مواد نانوسلولزی ممکن است نسبت به بیشتر مواد موجود در بازار که امروزه استفاده می‌شود، ماده غشایی بهتری باشد. جدیدترین تحقیقات در این زمینه، نانوسلولز (CNC) را در یک کامپوزیت با  پلی(وینیلیدن فلوراید-هگزافلوروپروپیلن) (PVDF-HFP) ترکیب کرده است.

نتیجه، غشایی بود که نسبت به الکترولیت بسیار آب‌گریز بود، یعنی در دوره‌های طولانی بسیار پایدار بود. این امر به تنهایی نشان می‌دهد که می‌توان ظرفیت این باتری‌ها را با گذشت زمان بهبود داد، زیرا کارآیی باتری در خلال طول عمر استفاده طولانی‌تر، افزایش یافته است.

این غشاها به دلیل حضور گروه‌های هیدروکسیل و گروه‌های سولفونات اسیدی، از رسانایی پروتونی بالایی برخوردار بودند. همچنین باتری‌هایی که از این غشا استفاده می‌کردند از راندمان کولنی، چگالی جریان و راندمان انرژی بالایی برخوردار بودند و برای ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر در کسری از هزینه غشاهای نفیون (Nafion) موجود، طراحی شده اند.

به دلیل فراوانی مواد و فناوری مقیاس‌پذیر توسعه‌یافته، این غشاها همچنین می‌توانند در شبکه‌های برق پیچیده‌ای استفاده شوند که انرژی را از هر دو منبع انرژی تجدیدپذیر و غیرقابل‌تجدیدپذیر در خود جای دهند.

نظرات

پاسخ به نظــر بازگشت به حالت عادی ثبت نظر

Captcha