Utmaningen att bygga en energiframtid som bevarar och förbättrar planeten är ett enormt åtagande. Men allt beror på de laddade partiklarna som rör sig genom osynligt små material.

Forskare och politiker har insett behovet av en brådskande och betydande förändring av världens mekanismer för energiproduktion och energikonsumtion för att stoppa dess fart mot miljökatastrofer. En kurskorrigering av denna storleksordning är verkligen skrämmande, men en ny rapport i journalen Vetenskap föreslår att den tekniska vägen för att uppnå hållbarhet redan har banats, det är bara att välja att följa den.

Rapporten, författad av ett internationellt team av forskare, beskriver hur forskning inom området nanomaterial för energilagring under de senaste två decennierna har möjliggjort det stora steget som kommer att bli nödvändigt för att använda hållbara energikällor.

"De flesta av de största problemen som står inför pressen för hållbarhet kan alla kopplas tillbaka till behovet av bättre energilagring, sa Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University och Bach professor vid Drexel University's College of Engineering och huvudförfattare till artikeln. "Oavsett om det är en bredare användning av förnybara energikällor, stabilisera elnätet, hantera energibehoven för vår allestädes närvarande smarta och uppkopplade teknik eller omvandla vår transport till elektricitet – frågan vi står inför är hur vi kan förbättra tekniken för att lagra och distribuera energi. Efter decennier av forskning och utveckling, Svaret på den frågan kan erbjudas av nanomaterial."

Författarna presenterar en omfattande analys av tillståndet för energilagringsforskning som involverar nanomaterial och föreslår den riktning som forskning och utveckling måste ta för att tekniken ska uppnå mainstream-livskraft.

Sylten

De flesta planer för hållbar energi – från Green New Deal till Parisavtalet, till de olika regionala koldioxidutsläppspolicyerna – hävda behovet av att råda över energiförbrukningen samtidigt som man utnyttjar nya förnybara källor, som sol- och vindkraft. Flaskhalsen för båda dessa insatser är behovet av bättre energilagringsteknik.

Problemet med att integrera förnybara resurser i vårt energinät är att det är svårt att hantera tillgången och efterfrågan på energi med tanke på naturens oförutsägbara natur. Så, massiva energilagringsanordningar är nödvändiga för att ta emot all energi som alstras när solen skiner och vinden blåser och sedan kunna dela ut den snabbt under perioder med hög energianvändning.

"Ju bättre vi blir på att skörda och lagra energi, ju mer vi kommer att kunna använda förnybara energikällor som är intermittenta i naturen, " sa Gogotsi. "Batterier är som bondens silo - om de inte är tillräckligt stora och konstruerade på ett sätt som bevarar skörden, då kan det bli svårt att ta sig igenom en lång vinter. I energibranschen just nu, man kan säga att vi fortfarande försöker bygga rätt silo för vår skörd – och det är där nanomaterial kan hjälpa."

Fixen

Att få stopp på energilagringsstockningen har varit ett gemensamt mål för forskare som tillämpar tekniska principer för att skapa och manipulera material på atomnivå. Bara deras ansträngningar under det senaste decenniet, som lyftes fram i rapporten, har redan förbättrat batterierna som driver smartphones, bärbara datorer och elbilar.

"Många av våra största framgångar inom energilagring de senaste åren är tack vare integrationen av nanomaterial, ", sade Gogotsi. "Litiumjonbatterier använder redan kolnanorör som ledande tillsatser i batterielektroder för att få dem att ladda snabbare och hålla längre. Och ett ökande antal batterier använder nano-kiselpartiklar i sina anoder för att öka mängden energi som lagras.

Introduktion av nanomaterial är en gradvis process och vi kommer att se fler och fler nanoskala material inuti batterierna i framtiden."

Batteridesign, under en lång tid, har i första hand byggt på att hitta successivt bättre energimaterial och kombinera dem för att lagra fler elektroner. Men, på senare tid, Den tekniska utvecklingen har gjort det möjligt för forskare att designa materialen i energilagringsenheter för att bättre tjäna dessa överförings- och lagringsfunktioner.

Denna process, kallas nanostrukturering, introducerar partiklar, rör, flingor och staplar av material i nanoskala som de nya komponenterna i batterier, kondensatorer och superkondensatorer. Deras form och atomstruktur kan påskynda flödet av elektroner - hjärtslaget för elektrisk energi. Och deras stora yta ger fler viloplatser för de laddade partiklarna.

Effektiviteten hos nanomaterial har till och med gjort det möjligt för forskare att ompröva den grundläggande designen av batterier själva. Med metalliskt ledande nanostrukturerade material som säkerställer att elektroner kan flöda fritt under laddning och urladdning, batterier kan förlora en hel del i vikt och storlek genom att eliminera metallfolieströmavtagare som är nödvändiga i konventionella batterier. Som ett resultat, deras form är inte längre en begränsande faktor för de enheter de driver.

Batterierna blir mindre, laddar snabbare, håller längre och slits ut långsamt – men de kan också vara massiva, ladda gradvis, lagra enorma mängder energi under långa perioder och distribuera den på begäran.

"Det är en mycket spännande tid att arbeta inom området för energilagringsmaterial i nanoskala, sa Ekaterina Pomerantseva, Ph.D., en docent vid College of Engineering och medförfattare till uppsatsen. "Vi har nu fler nanopartiklar tillgängliga än någonsin - och med olika sammansättningar, former och välkända egenskaper. Dessa nanopartiklar är precis som legoklossar, och de måste sättas ihop på ett smart sätt för att producera en innovativ struktur med prestanda överlägsen alla nuvarande energilagringsenheter. Det som gör denna uppgift ännu mer fängslande är det faktum att till skillnad från Legos, det är inte alltid klart hur olika nanopartiklar kan kombineras för att skapa stabila arkitekturer. Och när dessa önskade nanoskalaarkitekturer blir mer och mer avancerade, denna uppgift blir mer och mer utmanande, utlöser forskarnas kritiska tänkande och kreativitet."

Framtiden

Gogotsi och hans medförfattare föreslår att utnyttjandet av löftet om nanomaterial kommer att kräva att vissa tillverkningsprocesser uppdateras och fortsatt forskning om hur man kan säkerställa materialens stabilitet när deras storlek skalas upp.

"Kostnaden för nanomaterial jämfört med konventionella material är ett stort hinder, och låg kostnad och storskalig tillverkningsteknik behövs, ", sa Gogotsi. "Men detta har redan åstadkommits för kolnanorör med hundratals ton tillverkning för batteriindustrins behov i Kina. Att förbearbeta nanomaterialen på detta sätt skulle möjliggöra användningen av nuvarande batteritillverkningsutrustning."

De noterar också att användningen av nanomaterial skulle eliminera behovet av vissa giftiga material som har varit nyckelkomponenter i batterier. Men de föreslår också att man upprättar miljöstandarder för framtida utveckling av nanomaterial.

"När forskare överväger nya material för energilagring, de bör alltid ta hänsyn till toxicitet för människor och miljö, även vid oavsiktlig brand, förbränning eller dumpning i avfall, sa Gogotsi.

Vad allt detta betyder, enligt författarna, är att nanotekniken gör energilagring tillräckligt mångsidig för att utvecklas med den förändring av energiförsörjning som framåtblickande politik kräver.