فناوری نانو و مبحث انرژی

(قسمت چهارم)

قسمت های:  اول ، دوم و سوم

بهبود ذخیره هیدروژن به کمک فناوری نانو

از بین تمامی انتخاب ها برای جایگزینی سوخت های فسیلی، گاز هیدروژن سالم ترین و پر انرژی ترین ماده است. گاز هیدروژن پس از سوخت تبدیل به آب می شود. چگالی انرژی هیدروژن به مواد نفتی نزدیک می باشد. می توان این انرژی را از آب شور که در حال حاضر از بزرگ ترین منابع روی سیاره زمین است استخراج کرد. فناوری های جدید مانند پیل های سوختی به دنبال استفاده از هیدروژن برای تولید برق هستند.

هیدروژن این ظرفیت را دارد که بدون تخریب طبیعت انرژی تولید کند و برای جایگزین شدن سوخت های فسیلی مایع برای تأمین انرژی وسایل نیز مناسب است، با این همه حمل و نقل و ذخیره ایمن گاز هیدروژن مسئله مهمی خواهد بود. تخمین زده شده که یک اتومبیل معمولی به طور میانگین kg 2/1 هیدروژن برای هر 100 كیلومتر جابجایی نیاز دارد، این مقدار گاز حدود 13500 لیتر است. طبیعی است که هیچ فضایی برای ذخیره سازی این هیدروژن وجود ندارد. این کار حتی عملی هم نیست، چـون بـه ازای هر لیتر هیدروژن مقدار كمی انرژی حاصل می شود و ذخیره هیدروژن به صورت مایع در ذخایر تحت فشار نیز عملی نمی‌باشد. همچنین نیاز به سیستم هایی برای بستن مخازن و جلوگیری از نشت گاز هیدروژن است. با این حال انتقال هیدروژن به صورت مایع می تواند با همان زیربنای موجود در پمپ بنزین ها استفاده ‌شود. خطرات ناشی از انفجار هیدروژن فکر ذخیره سازی انبوه آن را غیر ممکن می سازد.

برای ذخیره هیدروژن در وسایل نقلیه یکی از روش های مفید استفاده از هیدروژن به صورت ترکیبی جامد همانند هیدرید فلزات می باشد. عیب این روش این است که سرعت جذب هیدروژن در هیدریدهای فلزی پایین است. کاهش اندازه ی ذرات هیدرید فلزی یکی از راه حل های ممکن برای این مشکل است. خیلی از نانومواد تاکنون آزمایش و ایجاد شده اند تا همین نقش را انجام دهند؛ استفاده از نانومواد راندمان ذخیره سازی هیدروژن را بالا می برد. مساله دیگری که باید مورد توجه و بهبود قرار گیرد مقدار هیدروژنی است که می تواند توسط ترکیب نگه داری و آزاد شود. ذخیره هیدروژن در یک جامد اولین بار در سال 1866 در مورد عنصر پالادیوم مشاهده شد. با توجه به چگالی وزنی کم ترکیب پالادیوم و هیدروژن این مورد مورد مناسبی شناخته شده است.

در این ساختارها هیدروژن به صورت پروتون در شبکه کریستالی فلز قرار می گیرد. تراکم در این حالت از حالت مولکولی هیدروژن در وضعیت مایع بیشتر است. هیدریدهای فلزی ترکیباتی هستند که حالتی بین هیدروژن و فلزات را دارند. خیلی از عناصر خالص هیدریدهای فلزی می سازند که برخی از آن ها بسیار پایدار است و شماری از آن ها نیز بسیار بی ثبات هستند.

سوتیتر: فناوری نانو راهکارهای جدیدی رابرای افزایش راندمان انرژی های مختلف پیش پای ما می گذارد. این فناوری کمک می کند تا انرژی های مختلف کاربردهای بیشتری داشته باشند یا حتی روش های دیگری برای تامین انرژی ایجاد شود

تحقیقات اخیر نشان داده است که استفاده از مواد نانوکریستال در ترکیب با نانوخوشه های تیتانیوم متشکل از 13 اتم به شدت واکنش با هیدروژن را تسریع می کند و دمای رها کردن هیدروژن را کم می کند. با این روش به کمک ترکیبات کامپوزیتی نانومتری می توان هیدریدهای پیچیده ای ساخت که شرایط مناسب برای واکنش (پر کردن ماده ذخیره کننده در جایگاه های تجدید سوخت و خالی کردن آن برای نیاز پیل های سوختی را دارند. نانومکعب ها به صورت شبکه هایی هستند که می توانند توان ذخیره گازها را افزایش دهند.

توسعه باتری ها به کمک فناوری نانو

شاید مساله مهمی که پس از تولید انرژی مطرح می شود، ذخیره و انباشت حجم زیادی انرژی در فضایی کوچک است. با توجه به اینکه امروزه لوازم سیار و استفاده از آنها گسترش بسیار یافته است. در تمام کاربردها، ایمنی، افزایش انرژی، اندازه كوچك تر و طول عمر طولانی‌تر مطلوب است.توسعه باتری ها به کمک فناوری نانو به این امر کمک کرده است.

باتری ها به دو دسته باتری های اولیه و باتری های ثانویه تقسیم می شوند. نوع اولیه به باتری های های غیر قابل شارژ و نوع ثانویه به باتری های قابل شارژ معروفند. در باتری های اولیه که به باتری های یک طرفه نیز معروف هستند، فعل و انفعال شیمیایی تنها یک طرفه انجام می پذیرد. این باتری ها پس از مدتی کار ضعیف شده و از بین می روند. در باتری های ثانویه یا دو طرفه، فعل و انفعال شیمیایی دو طرفه بوده و در صورت ضعیف شدن باتری می توان آنها را مجدداً شارژ و قابل استفاده نمود.

همان طور که می دانیم باتری وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در واقع یک باتری شامل یک یا چند پیل ولتایی (Voltaic Cell) است که بر اثر واکنش‌های شیمیایی اکسید و احیا مولد جریان الکتریسیته هستند. هر پیل ولتایی از دو الکترود تشکیل شده است که بین آن‌ها با الکترولیت پر می شود. الکترولیت محلولی رسانا شامل یون‌ها است. معمولا ترکیبات الکتروفعال درون الکترولیت حل می شوند که می‌توانند با الکترودها واکنش شیمیایی بدهند و انرژی شیمیایی را با انتقال بار در سطح مشترک الکترود-الکترولیت به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.

ولتاژ خروجی یک باتری به طور مستقیم با ماهیت شیمیایی واکنش الکتروشیمیایی پیل در ارتباط است. به عنوان مثال در باتری‌های سرب-اسید، واکنش شیمیایی هر پیل 2 ولت جریان را تولید می‌نماید. در باتری‌های لیتیمی واکنش الکتروشیمیایی صورت گرفته ولتاژ تقریبی 3 ولت را تولید می نماید که تولید این ولتاژ یکی از ویژگی‌های مهم این نوع باتری‌ها است. بنابراین با بهره گیری از واکنش های لیتیمی می‌توان با به کارگیری تعداد پیل کمتر به ولتاژ بالاتر دست یافت.

باتری های لیتیم-یون نقش اساسی در توسعه وسایل الکترونیکی قابل حمل دارند، بنابراین تحقیقات وسیعی برای توسعه آن‌ها صورت گرفته است. این نوع از باتری‌های قابل شارژ مانند دیگر انواع باتری‌ها از پیل‌های الکتروشیمیایی تشکیل شده‌اند. هر پیل نیز به نوبه خود از دو الکترود تشکیل شده که به وسیله الکترولیت با یکدیگر ارتباط می گیرند. هر یک از اجزا دارای ساختار ویژه و منحصر به فرد می‌باشند. در این میان، نانو مواد تحولات شگرفی را در بازده و طول عمر باتری‌های لیتیمی ایجاد نموده‌اند.

باتری های لیتیوم یونی انرژی زیادی را در ورقه های ساندویچ شده فشرده که با یک جدا کننده از هم تفکیک شده اند و همگی در یک الکترولیت شناور هستند ذخیره می کند. برای جلوگیری از داغ کردن باتری یک خروجی به گاز حاصل از واکنش ها اجازه خروج می دهد. اگر گاز با سرعت ایجاد شود، زوار باتری می ترکد و باتری از کار می افتد. وقتی از بیرون اتصالی شود، قطعه قطعه جریان کشیده شده و جریان باتری را قطع می کند. باتری لپ تاپ از مجموعه ای از باتری های لیتیوم یونی تشکیل شده است که یک گرماسنج داغ شدن آن را گزارش می کند.

ادامه دارد...

منبع: nanotech -sciencedaily-nano-nanoclub-edu.nano- nanowerk

کتاب آشنایی با فناوری نانو(2)-سلیمی،طاهری،احمدوند