کاربردهای فناوری نانو در انرژی

برای دسترسی به سایر گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

---

در طی بیست سال آینده با کاهش منابع سوخت‌های فسیلی موجود در کره زمین، تقاضا برای استفاده از منابع انرژی­های جایگزین، جهت افزایش قدرت به‌کارگیری انرژی در رفع نیازهای جمعیت جهانی و صنایعی که محصولات و خدمات خود را عرضه خواهند کرد، به‌شدت افزایش خواهد یافت. این منابع جایگزین انرژی در آینده، عمدتاً به‌صورت پاک، تجدید پذیر و طبیعی، مانند انرژی‌های خورشیدی و بادی،  همراه با تولید و انتشار بسیار ناچیز گاز دی‌اکسید کربن در چرخه تولید و مصرف انرژی تعریف می‌شوند. فناوری نانو می‌تواند کارایی، ذخیره‌سازی و تولید انرژی را تحت تأثیر قرار داده و مصرف انرژی را به مقدار قابل‌توجهی پایین بیاورد. در ایران فناوری نانو به‌عنوان یکی از علوم نوین رو به رشد و قابل‌استفاده در  صنایع مختلف کشور مطرح است. ازآنجایی‌که تولید و ذخیره‌سازی انرژی به فرآیندهایی در مقیاس مولکولی بسیار وابسته است، استفاده از فناوری نانو در مواد و فرآیندهای وابسته به آن‌که در مقیاس اتمی توسعه پیداکرده‌اند، دارای مزیت‌های فراوانی است. همچنین توسعه و رشد فناوری نانو در فرایندهای تولید انرژی و برنامه‌ها و محصولات مرتبط با آن، می­تواند تأثیرات چشمگیری در پیشبرد سیاست‌های کلان کشور، در راستای حفظ منافع ملی در عرصه تجارت بین‌المللی انرژی و افزایش قدرت منطقه‌ای ایران در خاورمیانه به همراه داشته باشد. محرک­های اصلی برای جذب فناوری نانو در صنعت انرژی عبارت‌اند از: نیاز به امنیت و پایداری عرضه انرژی، افزایش روزافزون رشد مصرف انرژی و آگاهی دولت‌ها از پیامدهای تغییرات آب و هوایی مرتبط با صنعت انرژی است.

از کاربردهای فناوری نانو در زمینه انرژی می­توان به ذخیره‌سازی و توزیع انرژی با بهره‌وری بالا و توسعه سیستم­‌های انرژی با وزن پایین و قابلیت اطمینان بالا جهت افزایش زمان پرواز پرنده­های بدون سرنشین، افزایش زمان شناوری میکروشناگرها و تبدیل انرژی حرارتی جهت کاربرد در وسایل نظامی اشاره کرد. به‌طورکلی اهمیت هر چه بیشتر تحقیقات در زمینه‌ی انرژی و کاربرد آن در صنایع استراتژیک به‌خصوص صنایع نظامی با استفاده از فناوری نانو برای گسترش سیستم­های کاربردی انرژی در چهار زمینه زیر قابل‌ذکر است:

• کاتالیزورهای سوخت جهت کاهش استهلاک موتور، کاهش گازهای مضر خروجی و افزایش بهره­ وری سوخت
• تولید و تبدیل انرژی با استفاده از سلول­های خورشیدی، پیل‌های سوختی، و کاربرد نانو مواد و نانو ساختارها در ترمو و پیزوالکتریسیته
• ذخیره انرژی از طریق باتری­ها و ابرخازن­ها، ذخیره‌سازی انرژی حرارتی و هیدروژنی
• انتقال انرژی با استفاده از سیم­های ابررسانا

 

1- کاتالیزورهای سوخت

در آینده موفقیت بسیاری از سیستم­های پیش‌رانش با سرعت و نیروی محرکه بالا، به توانایی استفاده از سوخت‌های مایع سازگار با محیط‌زیست بستگی دارد. چنین سیستم‌هایی دارای چگالی انرژی [1]بالا،  ظرفیت کاهش حرارت[2]  بالا ، تأخیر در احتراق کوتاه [3]، نرخ واکنش­پذیری بالا و هزینه کم هستند. تأثیر انحصاری فناوری ‌نانو در این بخش از حوزه‌ی انرژی، با افزایش كارآمدی واكنش‌ها و كنترل بهینه فرآیندها با استفاده از نانوساختارها ایجاد می‌شود. در نتیجه به ازای حجم معین از یک ماده، سطح بیشتری از آن در معرض كاتالیزور قرار می‌گیرد که این امر باعث افزایش قابل‌توجه سرعت واكنش‌ها می‌شود. کاتالیزورهای سوختی با ساختار نانو مزایای زیادی را نسبت به کاتالیزورهای معمولی با توجه به سطح ویژه‌ی بالا نانومواد و همچنین افزایش چگالی گروه­های شیمیایی افزودنی سطح دارند. استفاده از نانو ذرات فلزی به‌عنوان کاتالیزورهای سوختی جهت افزایش سرعت واکنش سوختن و افزایش دمای احتراق موتور از اهمیت ویژه­ای برخوردار است. نانوذرات فلزی، به دلیل داشتن سطح ویژه بالا از طریق پشتیبانی واکنش کاتالیزوری می­تواند باعث افزایش سرعت واکنش شود.

• اکسید سریم یا سریا[4] یا دی­اکسید سریم

نانوذرات اکسید سریم باعث افزایش رسانایی اکسیژن، بهبود رفتار کاتالیزوری، بهبود احتراق و پایداری سوخت می­شود و دارای عملکرد بسیار بهتری در مقایسه با اکسید سریم معمولی می­باشد. به‌عنوان مثال با افزودن نانوذرات اکسید سریم به سوخت جت JP-10 دمای جرقه‌زنی و شروع احتراق به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌یابد.

مؤسساتی از قبیل آزمایشگاه ملی آرگون آمریکا (Argonne National Laboratory) و صنایع هوایی جنرال­الکتریک (GE Aviation, USA) و انرژنیک اروپا (Energenics Europe Ltd., UK) در حال توسعه سوخت­های تجاری بهبودیافته با این نوع نانو ذرات هستند که بتوان از آن‌ها در هواپیماهای مسافربری بهره‌برداری کرد ]1[.

2-1- نانوکامپوزیت نانو ذرات آلومینیوم / نانولوله کربنی

کاتالیزورهایی بر پایه نانولوله­ های کربنی می­توانند به‌طور گسترده در واکنش­های شیمیایی مختلف در بسیاری از سیستم­های انرژی از قبیل باتری­ها و پیل­های سوختی با دانسیته انرژی بالا استفاده شوند. نانولوله­ های کربنی دارای خواص فوق ­العاده مکانیکی و رسانایی الکتریکی و حرارتی عالی بوده و از نظر شیمیایی خنثی می­باشند. بنابراین، نانولوله ­های کربنی به ­عنوان قالب­ های ایده­ آل و منحصربه‌فرد برای تثبیت انواع نانوذرات فلزی، جهت ساخت کاتالیزورهای نانوکامپوزیتی به کار می­روند. با اضافه کردن نانوذرات آلومینیوم به‌عنوان کاتالیزور سوخت به پیشران سوخت جامد موشک، می­توان چگالی انرژی و سرعت احتراق را به میزان قابل‌توجهی بهبود بخشید این ماده همچنین سبب افزایش قابل‌ملاحظه درجه حرارت احتراق و ثبات در احتراق می­شود. با اضافه کردن نانو ذرات آلومینیوم به سوخت جت JP-8 می‌توان تأخیر در احتراق را تا حدود 50% کاهش داد ]2[. همچنین با پشتیبانی نانولوله‌های کربنی بر روی نانو ذرات آلومینیوم می‌توان همگن‌سازی کاتالیزور سوخت در داخل سوخت مایع را به مقدار بسیار زیادی تسهیل بخشید.

3-1- اکسید گرافن[5]

گرافن دارای ساختاری دو بعدی از یک شبکه لانه زنبوری کربن می‌باشد. گرافن به علت داشتن خواص فوق ­العاده در رسانایی الکتریکی و گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل‌های بار و خواص مکانیکی عالی به ماده‌ای منحصربه‌فرد تبدیل‌شده­ است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانوساختارهای کربنی، تک لایه گرافن است که اگر بر روی هم قرار بگیرند، ساختار سه بعدی گرافیت و اگر حول محوری لوله شود ساختار یک بعدی نانولوله­ کربنی و اگر به صورت کروی پیچانده شود ساختار صفر بعدی فولرین را شکل  می‌دهد.

—————————-

[1] energy density

[2] heat sink capacity

[3] short ignition delays

[4] ceria

[5] graphene oxide

 

 

 

اخیراً گرافن به علت روش ساخت و تولید بسیار ارزان­تر و در مقیاس بزرگتر به عنوان جایگزین نانولوله ­های کربنی،  بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. ورقه­ های عامل­دار گرافن[1] نوعی گرافن است که  گروه ­های شیمیایی عاملی (هیدروکسید­ها و اپوکسیدها) بر روی سطح و یا در لبه­ ها (هیدروکسیدها و کربوکسیلا­ت­ها) آن وجود دارد. نسبت کربن به اکسیژن می­­تواند از دو (اکسید گرافن) تا مقادیر بیشتر تغییر کند. احیای شیمیای یا حرارتی ورقه ­های عامل­دار گرافن، نسبت کربن به اکسیژن را با از بین بردن اکسیدهای کربن افزایش می­دهد که خود باعث به وجود آمدن جاهای خالی و عیب­های توپوگرافیکی در ورقه ­ها می­گردد. این عیوب سطحی باعث چین خوردگی و تاخوردن ورقه ­ها شده و به این ترتیب از گرافیته شدن و به صورت لایه ­ای قرار گرفتن مجدد ورقه ­ها بر روی یکدیگر جلوگیری به عمل می­آورد. این تاخوردگی ضمن حفظ سطح بالای ورقه ­ها در حالت خشک از تجمع لایه ­ای آن­ها در سوسپانسیون نیز ممانعت کرده و بدین ترتیب اکسید گرافن تولید می‌شود. تحقیقاتی که توسط محققان دانشگاه پرینستون بر روی نیترو متان خالص[2] و انواع مختلفی از کاتالیزورهای سوختی ذره­ای از قبیل اکسی ­هیدروکسید آلومینیوم[3]، نانو ذرات متخلخل سیلیکا و اکسید گرافن انجام گرفته‌، نشان داده است که  با استفاده از نانو ذرات اکسید گرافن که دارای مساحت سطح ویژه بسیار بالا می باشند، نه تنها سرعت واکنش کاتالیزوری احتراق تا حدود 175% نسبت به نیترومتان خالص افزایش می­یابد، بلکه سرعت جرقه زنی سوخت افزایش یافته و گروه­های هیدروژنی و اکسیژن های متصل به لایه­ های گرافن طی واکنش سوختن تولید مقدار زیادی اکسیژن کرده، به عنوان واکنش ­دهنده مصرف شده و از تولید ذرات اکسیدی جامد باقیمانده جلوگیری می­کنند . به این ترتیب با استفاده از اکسید گرافن می­توان سوخت هواپیماهای مافوق صوت را بهبود بخشید و از آلودگی­های موتور کاسته و به بهره ­وری بالایی رسید ]3[.

——————————————————–

[1] Functionalized graphene sheets

[2] Neat nitromethane

[3] Aluminum Oxyhydroxide

 

 

-1- نانو ذرات اکسید مولیبدن

نانو ذرات اکسید مولیبدن با ترکیب شیمیایی MoO₂ و با سایز متوسط بین nm 1000-2 به عنوان کاتالیزور سوخت در سوخت­های مایع رایج Jet-A، JP-8 و JP-5 کاربرد داشته و در حال حاضر شرکت بوئینگ بر روی این ماده جهت استفاده به عنوان کاتالیزور سوخت کار می‌کند ]4[.

 5-1- نانوذرات بور

با استفاده از اضافه­کردن نانوذرات بور و یا نانوذرات بور پوشش داده شده با سریم به انواع سوخت­های هواپیماهای جنگنده مانند JP-5 ، با افزایش چگالی انرژی می­توان خواص احتراق را به مقدار قابل توجهی بهبود بخشید  ]5[.

 

• تولید و تبدیل انرژی

1-2-  سلول­های خورشیدی

امروزه، انرژی مورد نیاز بشر توسط منابع گوناگونی تأمین می­شود که بخش عمده­ای از آن را سوخت­های فسیلی، مانند نفت، زغال سنگ و گاز طبیعی تشکیل می­دهد. بنابراین، گسترش منابع انرژی متنوع و تجدیدپذیر برای کاهش نشر دی ­اکسید کربن، متان و دیگر مواد مضر امری ضروری است. خورشید یکی از منابع تأمین انرژی رایگان، پاک و عاری از اثرات مخرب زیست ­محیطی است که از دیرباز به روش­های گوناگون مورد استفاده بشر قرار گرفته است. در سال­های اخیر، استفاده از این منبع انرژی باعث به وجود آمدن سلول­های خورشیدی مبدل انرژی شده است. سلول خورشیدی، وسیله ­ای است که انرژی خورشید را به وسیله ­ی اثر فوتوولتائیک (تبدیل مستقیم انرژی نوری به الکتریسیته) و بدون اتصال به منبع ولتاژ خارجی به برق تبدیل می­کند[6]. شکل زیر شماتیک کلی لایه ­های موجود در ساختار یک سلول خورشیدی را نشان می­دهد.

 

 

توضیح شکل فوق: شماتیک کلی لایه های مختلف یک سلول خورشیدی را نشان می­دهد. از بالا به پایین: 1. لایه کاتد: از جنس نانوکامپوزیت کلسیم و نقره، 2. لایه فعال: نانوکامپوزیت پلیمری حاوی فولرین به صورت ترکیبی از P3HT (گیرنده الکترون) و PCBM (پذیرنده الکترون) است، 3. لایه انتقال دهنده حفره­ ها : از جنس PSS است، 4. آند: از جنس ITO است و 5. پایه ای از جنس شیشه می­باشد. توجه: P3HT مخفف Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)، PCBM مخفف Phenyl-C61-butyric acid methyl ester، PSS مخفف Polystyrene sulfonate، و ITO مخفف Indium tin oxide می­باشند.

پدیده فوتوولتائیک فقط با برخی از طول­ موج­ها ایجاد می­شود. زیرا بسته­ های نور (فوتون ها) باید انرژی لازم برای برانگیختن الکترون­های ماده را داشته باشند. بخشی از فوتون­ها که انرژی کافی برای برانگیختن الکترون در مولکول یا نیمه­ رسانا را نداشته باشند، توسط ماده فوتوولتائیک جذب نمی­شوند. از سوی دیگر، اگر انرژی فوتون بیشتر از میزان انرژی لازم برای برانگیختن الکترون باشد، انرژی اضافی هدر می­رود. این دو پدیده باعث می­شود که 70% از انرژی خورشید بدون مصرف باقی بماند[7].

توضیح شکل فوق: طول موج جذبی توسط مواد مختلف.

 

از جمله کاربردهای سلول های خوشیدی می­توان به موارد زیر اشاره نمود [8]:

• تأمین نیروی حرکتی هواپیماها، پهپادها، ماهواره­ها و سفینه­ های فضایی
• تهیه برق مراکز نظامی توسط نیروگاه­های فوتوولتائیک
• تأمین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایق­های کوچک

استفاده از نانو مواد می­تواند به ساخت سلول­های خورشیدی با ضریب بهره­ وری بالا و قیمت بسیار پایین با قابلیت استفاده در وسایل نظامی منجر شود. ساختارمواد مورد استفاده­، خواص، سیستم­های نانومتری و حتی روش­های ساخت از جمله مواردی است که باید در ساخت این نوع سلول­های خورشیدی مورد بررسی قرار گیرد. نانوالیاف­، نانولوله ­ها، مواد متخلخل کاتالیستی و مواد جاذب، نقاط کوانتومی و حتی نانوکامپوزیت­ها می­توانند در سلول­های خورشیدی مورد استفاده قرار گیرند. سلول‌های فتوولتائیک هیبريدی ساخته شده از نانوکريستال­ها و پلیمرها، پتانسیل بالایی در کاهش هزينۀ تبديل نور خورشید به انرژی الکتريکی دارند. ساختار یک سلول خورشیدی با کوچکتر شدن اندازه ذرات و افزایش نسبت سطح به حجم آن­ها، استفاده از نانوساختارها در لایه فعال آن به عنوان پذيرنده يا دهنده و يا در الکترودها به­ عنوان جمع­ کننده حامل‌ها بسیار مفید می­باشد. از هواپیماها و پهپادهای ساخته شده با فناوری انرژی خورشیدی می­توان موارد زیر را نام برد: 1. رهیاب ناسا  [1]اولین هواپیما از سری تکاملی پهپادها با سیستم انرژی خورشیدی و پیل سوختی است که توسط شرکتAeroVironment  در چارچوب برنامه فناوری هواپیما و سنسور تحقیقاتی زیست محیطی یا اراست[2] ناسا طراحی شده ‌است. رهیاب ناسا یک پهپاد دوربرد بلند پرواز است که به عنوان ماهواره جوی جهت انجام تغییرات آب و هوایی و نیز به عنوان سکوی مخابراتی استفاده می­شود. 2. نمونه اولیه پهپاد هلیوس[3] با قابلیت کارکردن در ارتفاع 100000 پایی جهت کاربردهای شناسایی و انتقال اطلاعات جوی که توسط سازمان ناسا طراحی و ساخته شده است. 3. پهپاد ناسا سنچوریون[4]  نمونه پیشرفته رهیاب ناسا با سیستم انرژی خورشیدی می­باشد که برای مأموریت­های هواشناسی ماهواره­ای طراحی و ساخته شده است و توانایی حمل بار تا 600 پوند در ارتفاع تقریبی 80 هزار فوت را داراست. 4. پهپاد ضفیر[5] که توسط شرکت Qinetiq طراحی و ساخته شده است. 5. هواپیمای خورشیدی ایمپالس[6] ساخت کشور سوییس بوده که دارای بال­های خورشیدی بوده و برای پرواز تا 36 ساعت بر فراز آسمان طراحی و ساخته شده است. طول بال‌های سولار ایمپالس ۷۲ متر بیش از بوئینگ ۷۴۷ است، هرچند وزن آن فقط ۲۳۰۰ کیلوگرم است. وزن سبک این هواپیما امتیاز آن نسبت به سایر هواپیماها محسوب می­شود. هفده هزار سلول خورشیدی روی بدنه آن نصب شده و باتری‌های لیتیوم-یون تعبیه شده در آن امکان پرواز در شب را نیز فراهم می‌کند. قابلیتی که به خصوص برای عبور از اقیانوس­های اطلس و آرام لازم است.

——————————————————–

[1] Pathfinder

[2] Environmental Research Aircraft and Sensor Technology (ERAST)

[3] Helios

[4] Nasa Centurion

[5] Zephyr

[6] Solar Impulse

 

 

1-1-2- نانو کامپوزیت فولرین/پلیمر

فولرین ها در برابر نور بسیار حساس بوده و با تغییر طول­موج نور خواص الکتریکی آن ها به شدت تغییر می­کند. فولرین خالص از نظر شیمیایی و فیزیکی بسیار پایدار است و با محیط اطراف و مواد دیگر واکنش­پذیری ندارد، همچنین می‌توان خواص شیمیایی و نوری آن را به راحتی از نظر شیمیایی کنترل کرد. مهمترین نوع سلول خورشیدی پایه فولرینی توسط شرکت Konarka Technologies, US تولید شده است. این سلول خورشیدی شامل دو جزء اصلی است: یک نوع پلیمر که آزاد کننده الکترون­ها در زمانی است که سلول در معرض نور آفتاب قرار می­گیرد، و فولرین که مسئولیت حمل الکترون­ها به دور از پلیمر و به یک مدار خارجی الکترونیکی را برای تولید برق دارد. این نانوکامپوزیت در لایه فعال سلول خورشیدی به کار می­رود  ]9[.

2-1-2- نانو ساختارهای تیتانیا

در لایه فعال سلول­های خورشیدی اگرچه میزان جذب نور با افزایش ضخامت لایه نازک پلیمری افزايش می­يابد، ولی به دلیل کوچک بودن طول پخش اگزايتون[1]، از تفکیک و انتقال مؤثر حامل­ها جلوگیری به عمل می­آيد که این مشکل را می­توان با استفاده از نانو ساختارها و افزايش سطح مشترک دهنده-پذيرنده حل کرد.

نانوکريستال‌ها و نانو میله­های تیتانیا به علت غیرسمی و ارزان بودن، انتخاب مناسبی برای استفاده در سلول­های خورشیدی برای انتقال و بهبود بهینه حامل­ها و رسیدن به راندمان بالاتر می­باشند. همچنین بر اساس سلول­های ساخته شده توسط مؤسسه تحقیقات و فناوری صنعتی ژاپن(AIST) و شرکت جنرال­الکتریک در صورتی که نانوساختارهای تیتانیا با عنصر نیتروژن ترکیب شوند، علاوه بر پایداری بسیار بالای سلول خورشیدی، می­توان به بیشتر از 8% راندمان تبدیل[2] دست یافت ]10، 11[.

3-1-2- نانو میله­ های اکسید روی  و دی اکسید تیتانیم

در اين نوع سلول از نانومیله اکسید روی به عنوان لايه انتقال­ دهنده الکترون و از هیبريد نانومیله تیتانیا/ پلیمر به عنوان لايه فعال استفاده می­شود ]12[. لايه اکسید روی بر سطح الکترود که دارای ضخامت بالایی است، مسیری را برای جمع­­آوری و انتقال حامل­ها به الکترود فراهم می­کند و سپس نانومیله ­های تیتانیا که باریک­تر هستند به درون پلیمر نفوذ کرده به دلیل ایجاد سطح مشترک بزرگ با پلیمر منجر به بهبود تفکیک اگزايتون­ها و انتقال حامل­ها می­گردد ]13[. سلول نانو کامپوزیتی ساخته شده توسط نانو میله ­های اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم چگالی جریان الکتریکی را تا بیش از 7 برابر سلول اکسید روی و پلیمر معمولی افزایش می­دهد.

4-1-2- نانوکامپوزیت نانولوله کربنی و گرافن

به علت خواص فوق­العاده، مدول یانگ، استحکام کششی و رسانایی الکتریکی گرافن و نانولوله­ های کربنی، شرکت بوئینگ به دنبال ساخت سلول‌های خورشیدی با استفاده از لایه نازکی از این دو ماده با استحکام بالا و عمر کاری طولانی بر روی زمینه­ای پلیمری به عنوان لایه رسانای شفاف می­باشد. برای ساخت لایه­ای نازک با ساختاری همگن باید نانولوله­ های کربن و گرافن را در داخل محلول مناسبی پخش کرد و آن را بر روی زمینه پلیمری مورد نظر پوشش داد  ]14[.

 2-2- ترمو الکتریسیته

ادوات ترموالکتریک از دو ماده با هدایت حرارتی متفاوت تشکیل شده است که با اعمال تغییرات حرارتی ، جریان الکتریکی در آن برقرار می­شود. برعکس، عبور جریان در طول اتصال می­  تواند به خنک شدن ماده منجر شود. در واقع وسایل ترموالکتریک امکان کنترل درجه حرارت دقیق و همچنین تبدیل گرما به الکتریسیته را ممکن می­سازند. در حال حاضر، مشکلات ادوات ترموالکتریک، عمر پایداری پایین در درجه حرارت بالا و فاکتور ZT (متناسب با هدایت الکتریکی و عکس رسانندگی دمایی) پایین است. برای حل این مشکلات می‌توان از نانوسیم­ها و نانوپوشش­ها برای گرم کردن و سرد کردن سطوح در مقیاس نانو استفاده کرد. از کاربردهای گسترده نانو مواد و سیستم­های ترموالکتریسیته در صنعت هوایی می­توان به استفاده از آن­ها بر روی پهپادها جهت تبدیل انرژی تلف شده گرمایی به الکتریکی اشاره کرد. این امر موجب کاهش وزن و کاهش هزینه تولید و نگهداری پهپاد می­شود. از نمونه­های کاربردی آن می‌توان به  استفاده از خواص ترموالکتریسیته نانومواد بر روی پهپادShadow  AAI RQ-7 توسط ارتش ایالات متحده آمریکا اشاره کرد. برخی از این مواد نانوساختار عبارتند از:

1-2-2- نانو سیم­های­ بر پایه بور

نانوسیم­های کاملاً آمورف و نیمه هادی برپایه بور جهت تبدیل ترموالکتریک می­توانند به صورتی آلایش­شده شوند که باعث افزایش قابل توجه خاصیت رسانایی در یک جهت خاص به همراه خواص مکانیکی عالی شوند. از مزایای این نانو سیم­ها می‌توان به عدم تبلور مجدد، عدم ایجاد لایه­های اکسیدی خارجی، خواص رسانایی فوق ­العاده و چگالی پایین به همراه نقطه ذوب بالا اشاره کرد.

 2-2-2- نانو پوشش‌های کاربیدی

پوشش‌های کاربیدی لایه­هایی از ترکیبات دوتایی می‌باشند که در آن کربن به عنوان لیگاند عمل می­کند. ترکیب پیوندهای sp² و sp³ در این نوع پوشش‌ها باعث به وجود آمدن خواص متعددی از قبیل پایداری حرارتی و نقطه ذوب بسیار بالا (بین  °C 3100- 2900) می­شود. مزیت بزرگ این نانو فیلم­ها این است که امکان تنظیم مستقل سختی و خصوصیات سایشی پوشش­ با ترکیب عناصر مختلف وجود دارد. چسبندگی بسیار عالی و مقاومت به خوردگی از دیگر مزیت­های این نوع نانو پوشش­ها است. نانو فیلم­های کاربیدی را می­توان با استفاده از روش ­های مختلفی از قبیل انباشت به روش تبخیر فیزیکی و شیمیایی و اسپاترینگ تولید کرد. در حال حاضر نانو پوشش­های کاربیدی به صورت فعال توسط شرکت هایی از قبیل Nano Coat, US تولید می­شوند، این پوشش ها تا حدود 75% وزنی سبک­تر از پوشش­های کاربیدی معمولی هستند. آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش آمریکا در حال توسعه این نوع نانوپوشش‌ها بر روی بدنه و تیغه­های هلیکوپترها و قطعات داخلی موتور می­باشد تا در دراز مدت در سیستم­های ترموالکتریسیته به کار گرفته شوند ]15[.

 

 3-2-2- گرافن

گرافن ماده­ای دو بعدی متشکل از یک لایه از اتم­های کربن است که در یک ساختار لانه زنبوری اتم­ها به صورت مرتب در کنار یکدیگر قرار گرفته­ اند. در حال حاضر گرافن نازکترین ماده شناخته شده در جهان بوده و در عین حال دارای یکی از مستحکم­ترین ساختارها است. هدایت الکتریکی آن به خوبی عنصر مس و از نظر هدایت گرمایی تقریباً بهتر از سایر مواد است. گرافن تقریبا یک ماده کاملاً شفاف است و در عین حال تراکم آن آنقدر بالاست که حتی کوچکترین اتم هلیوم نمی­تواند از میان آن عبور کند. ساختار دو بعدی گرافن با ایجاد بی­نظمی در شبکه[3] یا ناخالصی­های باردار[4]  می­تواند به عنوان یک ماده عالی جهت تبدیل انرژی حرارتی به الکتریکی استفاده شود.

 4-2-2- نانو ساختارهای سه بعدی کربنی

در حال حاضر دو شرکت Nextreme و Lockeed Martin در حال همکاری بر روی ساخت لایه­ های نازکی از نانوساختارهای سه بعدی کربنی (نانوکامپوزیتی از جنس گرافن و فوم کربن) جهت استفاده در قسمت­های مختلف الکترونیکی در پهپادها و جنگنده ­ها با استفاده از فناوری های تبدیل و تولید انرژی الکتریکی هستند ]16[.

3-2- پیزو الکتریسیته

مواد پیزوالکتریک زمانی که تحت تاثیر تنش‌های مکانیکی قرار می­گیرند جریان الکتریکی تولید کرده و بالعکس وقتی که تحت میدان الکتریکی قرار گیرند، انبساط و انقباض می­یابند. از معروف­ترین مواد پیزوالکتریک می­توان کوآرتز، سولفید کادمیوم، پلی­ وینیلیدین فلوراید[5] و پلی­وینیل­کلراید[6] را نام برد. با پیشرفته شدن سیستم­های الکترونیکی و کنترل در هواپیماها و پهپادها، تعداد قطعات الکترونیکی رو به افزایش بوده و نیاز شدیدی به افزایش خطوط الکتریکی جهت تولید انرژی مورد نیاز است. از این رو جهت کاهش خطوط الکتریکی در داخل هواپیما و استفاده بهینه از لرزش­ها و تنش­های حاصله در هواپیماها، جنگنده‌ها و به خصوص هلیکوپترها و تولید مقدار زیادی از انرژی مورد نیاز، استفاده از نانو مواد و سیستم­های پیزوالکتریک ضروری می­باشد.

1-3-2- نانو سیم­های اکسید روی

اکسید روی یک نیمه رسانا است و می­تواند به شکل عمودی بر روی سطوح مختلف و در مقیاس بالا رشد داده شود. در نتیجه با استفاده از خواص پیزوالکتریک نانوساختارهای اکسید روی، می­توان تنش­های مکانیکی را در این نانو سیم‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. شرکت بوئینگ یک شبکه سنسور از جنس سیلیکون تولید کرده است که قابلیت شارژ الکتریکی با استفاده از نانو سیم های اکسید روی رشد داده شده بر روی آن را دارد  ]17[.

 

 2-3-2- نانو سیم های سرب منیزیم نیوبات-سرب تیتانات[7] (PMN-PT)

یک راه برای افزایش ولتاژ خروجی نانو پیزوالکتریک‌ها استفاده از ماده‌ای با ثابت­های پیزوالکتریک بالا می‌باشد. PMN-PT دارای ضریب پیزوالکتریک بالا، ضریب کوپل شدگی ­الکتریکی-مکانیکی بالا، ثابت دی الکتریک بالا و تلفات دی الکتریک بسیار پایین است. ثابت پیزوالکتریک این نوع نانوساختار حدود 15برابر بیشتر از نانوساختارهای اکسید روی یک بعدی و سه برابر بیشتر از نانو کریستال‌های تک بعدی تیتانات زیرکونات سرب (PZT) می­باشد که می­تواند به عنوان ماده­ای ارزان در سیستم­های پیزوالکتریک هلیکوپترها استفاده شود  ]18[.

 

 4-2- پیل سوختی

پیل سوختی ابزاری الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می­نماید. بازده بالای تبدیل انرژی و عدم ایجاد آلودگی­های زیست­محیطی، کاربرد پیل­های سوختی را در صنایع نظامی برای تولید برق شاخص می­کند. برای مثال شرکت بوئینگ تصمیم دارد تا سال 2015 در هواپیماهای خود از این سیستم استفاده نماید.

——————————————————–

[1] exciton

[2] conversion efficiency

[3] lattice disorder

[4] charged impurities

[5] polyvinylidene fluoride (PVDF)

[6]polyvinyl chloride (PVC)

[7] lead magnesium niobate-lead titanate

 

 

از مهم­ترین پیل­های سوختی که کاربرد وسیعی دارند، پیل سوختی با الکترولیت پلیمر و پیل سوختی اکسید جامد است. پيل‌هاي سوختي پليمري اولين بار در دهه 1960 جهت پروژه Gemini ناسا استفاده شد. سوخت مصرفي در پيل‌سوختي با الکترولیت پليمر، هيدروژن خالص است. پيل‌سوختي با الكتروليت پليمر به شكل يك ورقه نازك منعطف است و هادي يون هيدروژن (پروتون) مي‌باشد که بين دو الكترود متخلخل قرار مي‌گيرد. این پیل­ها جزء پيل‌هاي سوختي دما پايين شناخته مي‌شود. با توجه به دماي پايين کارکرد پيل‌سوختي پليمري، لازم­ است که در الکترودهاي اين پيل‌سوختي از کاتاليست­هايي با کارايي بالا استفاده شود و کاتالیزور مورد استفاده در آن اغلب از جنس پلاتين می­باشد.

نظر به اين­که قيمت کاتاليست پلاتين مورد استفاده در پيل‌سوختي پليمري بسيار بالاست، تلاش‌هاي مستمري در راستاي کاهش مقدار پلاتين مصرفي به‌عنوان کاتاليست صورت می­گیرد. چرا که در نمونه‌هاي اوليه پيل‌سوختي پليمري مقدار کاتاليست مصرفي mgPt/cm² 28 بوده است که موجب افزايش قيمت تمام شدة پيل‌سوختي مي‌گشت. يکي از بهترين شيوه‌هاي کاهش مقدار کاتاليست پلاتين، استفاده از يک لايه نازک از فلز کاتاليست با بيشترين مساحت ممکن است. براي اين منظور ذرات بسيار ريز کاتاليست بر روي کربن که بصورت پودر مي‌باشد، نشانده مي‌شوند.

الكترودها متخلخل هستند تا امكان نفوذ گاز از طريق هر الكترود و رسيدن به سطح كاتاليزور امكان­پذير شود. پلاتين و بستر کربن، هادي خوبي براي الكترون­ها محسوب مي‌شوند، لذا الكترون­ها قادرند آزادانه در سرتاسر الكترود حركت كنند. ابعاد بسيار كوچک ذرات پلاتين كه داراي قطري در حدود 2 نانومتر مي‌باشند، موجب بوجود آمدن مساحت بسيار زيادي از فلز پلاتين مي‌گردد كه سبب افزايش دسترسي مولكول‌هاي گاز به مکان‌هاي فعال انجام واکنش مي‌شود. سطح كل ارائه شده بوسيله اين تعداد زياد از ذرات ريز، حتي زماني كه جرم كل پلاتين استفاده شده بسيار كم باشد (در نمونه‌هاي اخير حدودmgPt/cm² 2/0 است)، بسيار بزرگ است. اين مساحت وسيع از سطح پلاتين حاصله امكان دسترسي راحت واکنشگرها به مکان‌هاي فعال بر سطح کاتاليست را ميسر مي‌سازد. لذا امکان بدست آوردن توان مناسب از پيل‌سوختي ميسر مي‌گردد. شکل 10 نماي شماتيکي از پيل‌سوختي پليمري را ارائه مي­ دهد ]19[.

نمای شماتیکی از پیل­ سوختی پلیمری

 

 

مرکز تحقیقات ناسا در پی تأمین نیرو جهت پروازهای فضایی با سرنشین بود. ناسا پس از رد گزینه‌های موجود نظیر باتری (به علت سنگینی)، انرژی خورشیدی (به علت گران بودن) و انرژی هسته‌ای (به علت ریسک بالا) پیل‌سوختی را انتخاب نمود ]20[.

بازده‌ الكتريكي اين نوع پيل‌سوختي در حدود %50-40 درصد است و معمولا برای تجاری­سازی آن­ها هزینه­های ناشی از تولید غشاهای پلیمری، باید کنترل شود. در حال حاضر هزینه استفاده از غشاهای تجاری معمول تقریباً برابر با هزینه تولید یک سلول کامل است (برای مثال هزینه تهیه غشاهای نفیونی[1] حدود $/m²800 است).

پیل سوختی اکسید جامد دارای دمای کاری بین ºC 600-1100می­باشد. اين پيل‌سوختي دارای ساختارهای صفحه‌اي و لوله‌اي بوده و از الكتروليت جامد سراميكي نازكي به جاي الكتروليت مايع استفاده می­کند. نمونه بسیار موفق استفاده از سیستم پیل سوختی اکسید جامد در هواپیمای الکتریکی دو نفره E-Genius، در تامین انرژی پیش رانش موتور آن می­باشد. همچنین با همکاری ناسا و شرکت AeroVironment یک سیستم پیل سوختی پلیمری بر روی پهپاد هلیوس  (Helios) نصب شده است که می‌تواند، پرواز آن را بر فراز آسمان تا 6 ماه بدون بازگشت به زمین تضمین نماید. شرکت ایرباس نیز در نظر دارد که در هواپیمای A-320 در بخش موتورهای کمکی[2]  یک پیل سوختی چند کاربردی جایگزین نموده و از میزان مصرف سوخت هواپیما تا 15% بکاهد ]21[ .

بخشي از انرژي مورد نياز جهت خدمات عمومي (آب، برق، تلفن) وزارت دفاع آمريکا(DOD) [3]، به  صورت غير متمرکز و توسط نيروگاهايي با ظرفيت چند مگاوات تا يکصد مگاوات تامين مي‌شود. هزينه خريد انرژي الکتريکي از تأمين کننده‌هاي محلي، زياد مي‌باشد. هزينه انرژي مصرف شده در سيستم‌هاي تهويه مطبوع 50% صورت‌حساب‌ها را تشکيل مي‌دهد. لذا پتانسيل قابل ملاحظه‌اي جهت تامين انرژي الکتريکي مورد نياز از واحدهاي نيروگاهي محلي و خصوصي وجود دارد. توجه روز افزون به مسايل زيست‌محيطي، توليد انرژي پاک را توجيه‌پذير و اجباري کرده است. به علاوه بسياري از نيروگاه‌هاي حرارتي متمرکز (مرکزي)، در تأسيسات نظامي آمريکا به پايان عمر مفيد خود نزديک مي‌شوند؛ لذا فرصتي مناسب براي جايگزين شدن فن‌آوري‌هاي پيشرفته پيل‌سوختي به جاي تجهيزات موجود از رده خارج به وجود آمده است.

پيل‌سوختي پليمري به عنوان مولد انرژي در قسمت‌هاي مختلف وزارت دفاع آمريکا مورد استفاده قرار مي‌گيرد، مکان نصب پيل‌هاي سوختي پليمري مربوط به وزارت دفاع آمريکا در شکل 11 ارائه شده است]22[

 

——————————————————–

[1] nafion

[2] auxiliary power unit

[3] Department of Defense (DOD)

 

1-4-2- نانو ساختارهای نانو لوله کربنی/گرافن و نفیون

 علی­­رغم اینکه کاهش ضخامت لایه الکترولیت پلیمری باعث کاهش شدید قیمت تولید سلول می­شود، ولی از استحکام مکانیکی آن به مقدار زیادی می­کاهد. به همین دلیل مقاوم­سازی لایه­ های نفیونی با استفاده از نانولوله­ های کربنی و گرافن که دارای مدول یانگ و استحکام کششی بسیار بالایی می­باشند، می­تواند به مقدار زیادی از قیمت تولید سلول کاسته و استفاده آسان­تر از آن ها در بخش موتورهای کمکی هواپیماها تسهیل بخشد  ]23[.

 2-4-2- نانو کامپوزیت کاغذ اکسید گرافن بدون زیرلایه[1]

نانو کامپوزیت­های کاغذ اکسید گرافن از جدیدترین مواد قابل استفاده در سلول الکترولیت پلیمر بوده و به وسیله روش پراکنده­ سازی در محلول و ریخته گری لایه نازک ساخته می­شوند. همچنین خواص شیمیایی و مکانیکی این ورق‌ها را می­توان با به کارگیری انواع عملیات شیمیایی بهبود داده و مواد جدیدتر با ساختارهای پیچیده تر و کارایی بالاتر توسعه داد ]24[.

3-4-2- نانو ویسکرهای[2] پلاتین

شرکت آمریکایی 3M یک سلول الکترولیت پلیمری با سیستم چند مرحله­ای با طول عمر طولانی توسعه داده است که بخشی از آن شامل یک کاتالیزور لایه نازک از جنس نانو ویسکرزهای پلاتین با سطح ویژه فعال بسیار بالا می­باشد. در این روش از نانو ویسکرزهای تک بلور  پلاتین با جهت گیری منظم و نسبت ارتفاع به قطر بالا استفاده شده است. همچنین چگالی بسیار بالای نانو ویسکرزهای پلاتین باعث عملکرد مؤثر آنها در کل فرایند تولید انرژی می­شود  ]25[.

4-4-2- نانو کامپوزیت طلا، مس و نانو ذرات پلاتین

محدودیت استفاده از نانو ذرات پلاتین به عنوان کاتالیزور در سلول الکترولیت پلیمر، قیمت بسیار گران آن است. با جایگزین کردن لایه‌های میانی کاتالیزور پلاتین با آلیاژی از طلا و مس و ساخت یک نانوکامپوزیت هیبریدی، نه تنها می­توان میزان تولید جریان الکتریکی را از حدود 109/0 آمپر بر هر میلی گرم از نانو ذرات پلاتین سلول­های معمولی، تا حدود 571/0 آمپر بر هر میلی گرم از نانو ذرات پلاتین در سلول جدید افزایش داد، بلکه پایداری سلول و قیمت تولید آن را نیز می­توان کاهش داد. در حال حاضر این تنها روشی است که برای افزایش قابل ملاحظه پایداری و میزان فعال بودن کاتالیزور توسط شرکت آی­بی­اِن[3] توسعه داده شده است ]26 [.

 5-4-2- نانو ذرات دی اکسید مولیبیدن

هدف نهایی در ساخت نسل جدید هواپیما، تولید هواپیماهای تجاری با قدرت الکتریکی بیشتر و سوخت فسیلی کمتر می­باشد. جایگزین کردن توربین­های گازی معمولی با پیل سوختی اکسید جامد می‌تواند تا 40% در حین پرواز و تا حدود 75% بر روی زمین از میزان سوخت مصرفی بکاهد. به علت خواص کاتالیزوری فوق­العاده نانو ذرات اکسید مولیبدن در سوخت­های Jet-A، JP-8 و JP-5، شرکت بوئینگ در حال بهره­ گیری از این خاصیت و ساخت فناوری انعطاف پذیر (قابل تبدیل قبل و یا در حین پرواز) سوخت-پیل شیمیایی با استفاده از این کاتالیزورها می‌باشد. از دیگر مزیت این سیستم، این است که می­تواند مستقیماً با سوخت­های استراتژیک Jet-A و JP-5 کار کند. کاتالیزورهای پایه نیکل از دیگر سیستم‌های کاتالیزوری مرسوم در صنعت پیل سوختی می­باشند، ولی این کاتالیزورها واکنش پذیری خود را تحت محیط اکسیداسیون انواع سوخت‌ها (مثل Jet-A) به علت تشکیل کک و سم سولفور از دست می­ دهند ]27[.

 

3- ذخیره سازی انرژی

توسعه فناوری‌های پیشرفته در ذخیره سازی انرژی با استفاده از نانو مواد جهت ساخت موتورهای الکتریکی برای پرواز هواپیماهای الکتریکی[4]، می­تواند سرعت بیشتری به حذف سوخت ­های فسیلی و دست­یابی به نسل جدید هواپیماهای نظامی و تجاری بخشد. نمونه­های موفق از این دسته، هواپیماهای MEA، ایرباس A-380 (با 600 kW قدرت الکتریکی)، بوئینگ 787 (با MW 1.5 قدرت الکتریکی) و جنگنده­های F-22 و  F-35 می‌باشند. در هواپیمای بوئینگ 787 سیستم‌هایی از قبیل پمپ‌های هیدرولیک، سیستم حفاظت بال از یخ زدگی، تهویه هوا، ترمزها و شروع کننده موتور با استفاده از انرژی الکتریکی کار می­کنند، بوئینگ پیش بینی می‌کند تا سال 2030 جت مسافربری تمام الکتریکی خود را روانه بازار کند  ]28[.

1-3- باتری ها و ابرخازن‌های نانو ساختار

به­طور كلی دو نوع باتری قابل شارژ، قابل استفاده در وسایل هوایی وجود دارد كه می‌توان از فناوری نانو در ساختار آن استفاده کرد و بیشتر تحقیقات نیز بر روی این دو گروه در حال انجام است. دسته اول باتری‌هایی بر پایه لیتیم (مثل لیتیم – یون) و دسته دوم باتری­هایی بر پایه هیدریدهای فلزی است. استفاده از نانو مواد، نانولوله­ها و نانو ساختارها در این باتری­ها باعث افزایش چشم­گیر طول عمر، چگالی جریان و سرعت شارژ و تخلیه آن‌ها می­شود. در باتری های لیتیوم-یون، نفوذ یون‌های لیتیوم به دلیل ماهیت فاز الکترولیت، سطح مشترک مایع-جامد و پیچ و خم مسیر نفوذ یک پدیده پیچیده است، در نتیجه در این ادوات، اندازه ذرات و ساختارهای نانو از اهمیت ویژه­ای برخوردار است.

شکل 12 تعدادی از باتری­های مطرح همراه با چگالی انرژی تئوری و عملی آن ها را نشان می­دهد. به­ علت وجود مشکلات مختلف، حتی با کمک فناوری نانو نیز  به سختی می­توان  باتری­  با چگالی انرژی نزدیک به چگالی انرژی تئوری آن ساخت. باتری­های سرب اسید و نیکل هیدرید فلز[5] نسل قدیمی­تر و باتری­های یون لیتیومی نسل فعلی باتری­ها هستند. باتری­های لیتیوم-سولفور، روی-هوا و لیتیوم-هوا نسل آتی باتری­ها را به خود اختصاص می­دهند. هدف از کاربرد باتری­های لیتیوم-هوا جایگزینی آن­ها به جای سوخت­های فسیلی در وسایل نقلیه  است­ ]29[.

[1] Free standing graphene oxide paper

[2] Nanowhisker

[3] Industrie-Bau Nord Group of Companies )IBN(

[4] More Electric Airplane (MEA)

[5] Nickel–metal hydride battery(NiMH)

 

 

 

مقایسه بین چگالی انرژی باتری های مختلف

 

باتری­های لیتیم-هوا  با اینکه از سال 1970 اختراع شدند، اما تاکنون ­فناوری لازم برای تولید آن­ها توسعه نیافته است. این باتری­ها دارای چگالی انرژی بالایی می­باشند و نسبت به انواع مشابه وزن کمتری هم دارند. اکسیژن مورد نیاز این باتری­ها از هوا تأمین می­شود. بنابراین نیازی به ذخیره اکسیژن در آن‌ها وجود ندارد. فرآیند الکتروشیمیایی این باتری با ترکیب اکسیژن هوا با یون‌های لیتیوم و تشکیل پراکسید لیتیوم و ایجاد الکترون آزاد انجام می­پذیرد. در هنگام شارژ مجدد، عکس این فرآیند اتفاق افتاده و اکسیژن به هوا پس داده می­شود. بنابراین در هنگام شارژ باتری می­توانید کنار دستگاه الکتریکی خود ایستاده و نفس عمیق بکشید.  نتیجه جالب این فرآیند افزایش میزان انرژی باتری به میزان 15 برابر باتری‌های لیتیوم-یون فعلی است. این میزان ذخیره انرژی معادل انرژی بدست آمده از سوخت‌های فسیلی مثل بنزین می‌باشد. با یک بار شارژ باتری خودروی خود، با باتری­های لیتیوم-هوا می­توانید تا 600 کیلومتر مسافت را طی کنید. که این میزان حداقل 6 برابر بهترین خودروهای الکتریکی موجود می­باشد.

عملکرد باتری­های فلز-هوا به شدت تحت تاثیر کاتالیست­ها می­باشند. یکی از عوامل مهمی که بر روی عملکرد این کاتالیست­ها تأثیر می­گذارد، توزیع یکنواخت آن­ها بر روی پایه ­ی کربنی الکترود هوا می­باشد. کاتالیست­های استفاده شده در باتری های فلز-هوا شامل فلز پلاتین، نقره، ترکیبات اکسیدی چون MnO₂، NiO + Li₂O  و Co₂O₃، اسپینل­ها )MnCo₂O₄، NiCo₂O₄ و (CoAl₂O₄ و پروسکایت­ها )LaCoO₃، La_1-xSr_xCoO₃ و (La_1-xSr_xMnO₃ است. بر خلاف اثر فلز پلاتین در پیل­های سوختی، این فلز تاثیر زیادی در عملکرد باتری‌های فلز-هوا بخصوص در باتری­های فلز-هوای قابل شارژ، ندارد. در عوض، فلز نقره توانسته است بازدهی بالایی را در احیاء اکسیژن از خود نشان دهد و همچنین پایداری خوبی در شرایط واکنش باتری از آن دیده شده است. ارزان­ترین کاتالیست برای باتری­های فلز-هوا، کربن فعال می­باشد؛ زیرا دارای مساحت سطح بالایی است. برای احیاء اکسیژن در الکترودهای هوا بر پایه ­ی کربن استفاده از اکسید منگنز بر روی پایه ی کربنی با مساحت سطح بالا بهترین انتخاب می­باشد که نتایج خوبی را از خود نشان داده است. ]30[.

1-1-3- نانو سیم ها و نانو ذرات سیلیکون

با استفاده از بکارگیری نانو سیم‌ها و نانو ذرات سیلیکونی در باتری‌های لیتیوم-یون، می‌توان آندی پایدار با تکرار پذیری بالا تولید نمود. ظرفیت شارژ بالا از نظر تئوری (mAh/g ~ 4200)، به همراه پتانسیل کم تخلیه و دسترسی آسان، سیلیکون را به عنوان یک ماده آندی مناسب در حوزه باتری­های لیتیوم-یون معرفی می­کند. نانو سیم­های سیلیکون، قابلیت ذخیره سازی یون لیتیم را به میزان ده برابر بیشتر از گرافیت دارند و هم­چنین دارای چگالی انرژی بسیار بیشتری هستند که  منجر به کاهش محسوس جرم باتری می­شوند. آن­ها همچنین سطح ویژه بالا، سرعت شارژ و تخلیه بالایی را مهیا می­سازند. واکنش گرافیت و سیلیکون با لیتیوم به صورت زیر می­باشد:

در حالی­که آندهای سیلیکونی ویژگی­های جذابی در بهبود خواص باتری‌های لیتیوم یونی از خود نشان می­دهند، دارای دو مشکل اساسی برای به­ کارگیری در باتری­های لیتیومی هستند:

1- ساختار سیلیکون در طول سیکل­های شارژ تغییر می‌کند.

2- به علت افزایش گنجایش اتم­های لیتیوم در سیلیکون، حجم سیلیکون تا 400 درصد افزایش پیدا می­کند.

شکل زیر به صورت شماتیک فرآیند شیمیایی که در آند اتفاق می­افتد در 3 حالت لایه نازک، ذرات و نانوسیم­ها مقایسه می­کند.

 

ساختارهای مختلف آند در باتری­های لیتیوم یون.

ایجاد آرایه‌ای از نانو سیم­ها به صورت قابل ملاحظه ­ای از رشد بی­شکل سیلیکون جلوگیری کرده و سیستم را از  اتصال کننده ­های الکترودی یا افزودنی­های ایجاد رسانش بی نیاز می­کند و به صورت قابل ملاحظه­ای سبب افزایش چگالی انرژی می­شود.

باتری­های با فناوری نانو سیم­های سیلیکون توسط شرکت Silvaco  ژاپن ساخته شده و هم­چنین شرکت Lockheed Martin در حال تکمیل تحقیقات خود برای به­ کارگیری آن­ها در پهپاد­ها می­باشد ]31[.

 2-1-3- نانو ساختارهای سه بعدی

در صورتی که باتری­های قابل شارژ لیتیوم-یون یا نیکل هیدرید فلز (NiMH) به سرعت تحت شارژ و یا تخلیه قرار گیرند، عملکرد آن­ها به طور قابل توجهی تنزل می­یابد.  به کاربردن یک لایه نازک از یک ماده فعال در باتری‌ها اجازه شارژ و تخلیه سریع را می­دهد؛ ولی کاهش ظرفیت باتری را به­دنبال دارد؛ زیرا ماده فعال، حجم لازم برای ذخیره انرژی را ندارد. با استفاده از یک لایه نازک با نانو ساختار سه بعدی، دست­یابی به هر دو خاصیت ظرفیت و جریان الکتریکی بالا امکان­پذیر می­شود. با استفاده از نانو ساختارهای سه بعدی خودمونتاژشونده و تشکیل شبکه ای یکنواخت شبیه به اسفنج و سپس افزایش چگالی حفره ­ها و تخلخل­ها به وسیله اچ کردن و در مرحله آخر پوشش­دهی یک لایه نازک فعال، می­توان الکترود­های کاتدی ساخت که به راحتی قابلیت شارژ و تخلیه بدون از دست دادن ظرفیت ذخیره‌یانرژی را داشته باشد

 

 

 3-1-3- کاغذ نانوکامپوزیتی تقویت شده با نانو لوله‌های کربنی جهت ساخت باتری‌ها و ابرخازن‌های انعطاف پذیر

ویژگی­های کاربردی باتری­ها و ابرخازن­ها اصولاً توسط خواص ساختاری و الکتروشیمیایی مواد سازنده الکترودها مشخص می­شود. در صورتی که هر سه عضو مورد نیاز یک وسیله الکتروشیمیایی از قبیل الکترودها، جداکننده­[1] و الکترولیت از نظر مکانیکی به صورت انعطاف پذیر ساخته شوند، امکان ساخت ابزارهای پیشرفته­ای از قبیل کارت­های هوشمند و ادوات نانو الکترونیک با کاربردهای­ نظامی وجود دارد. با استفاده از نانوکامپوزیت­های زمینه سلولزی، تقویت شده با نانو­لوله ­های کربنی و یک نوع مایع یونی (1-بوتیل 1,3-متیل ایمیدازولیوم کلراید)[2] به عنوان الکترولیت می­توان باتری یا ابرخازن کاغذی انعطاف پذیر با خواص خمشی، پیچشی و حلقه شدن ساخت. ضخامت باتری نانو­کامپوزیتی حاصل در حدود چند ده میکرومتر است­ که در آن نانولوله ­های کربنی به عنوان الکترود عمل می­کنند. در حال حاضر باتری­های رایج موجود در سامانه­های نظامی هزینه نگهداری بالا و عمر کوتاهی دارند و با جایگزینی آن­ها توسط باتری­های کاغذی می­توان از هزینه نگهداری آن­ها به مقدار قابل توجهی کاست.

 

——————————————————–

[1] Spacer

[2] 1-butyl,3-methylimidazolium chloride ([bmIm][Cl])

 

 

4-1-3- ابرخازن­های گرافن/نانو لوله کربنی

ابرخازن­های RuO₂ دارای ظرفیت ویژه خازنی بالایی می­باشند؛ ولی از آنجایی که Ru عنصری کمیاب و گران است­، هزینه­های تولید افزایش قابل ملاحظه­ ای پیدا می­کند. در چند دهه اخیر ساخت ابرخازن­ها با نانو­ساختارهای ارزان و در دسترس از قبیل MnO₂ ، V₂O₅، NiO توسعه زیادی پیدا کرده است. ابرخازن­های در ابعاد میکرومتری که توسط لایه­ ای به ضخامت یک اتم کربن (گرافن) یا نانو لوله ­های کربنی ساخته می­شوند، دارای سرعت شارژ و تخلیه حدود 100 تا 1000 برابر باتری­های مرسوم است و امکان استفاده از آن­ها در ابزارهای الکترونی کوچک در پهپادهای شناسایی و پهپادهای مینیاتوری مثل راون، Desert HAWK، Zala 421-08، LM450 و Dragon Eye وجود دارد ]34[.

5-1-3- ابرخازن­های هیبریدی activated-C/nano Li₄Ti₅O₁₂

 شرکت Telcordia یک نوع ابرخازن هیبریدی با استفاده از کربن فعال شده به عنوان الکترود مثبت و نانو ساختار تیتانات لیتیم به عنوان الکترود منفی ساخته است که در آن هیچ کاهشی در کارایی شارژ و تخلیه در مقایسه با ابرخازن­های مرسوم وجود ندارد. به غیر از نانو ساختار Li₄Ti₅O₁₂، سایر ترکیبات اکسیدهای فلزی و یا نانو سیم­ها و نانولوله ­های از جنس آنها (مثل نانو سیم­های LixTiO₂-B برای باتری­های لیتیم-یون) می­توانند برای دستیابی به باتری­ها و ابرخازن­های هیبریدی با خواص سیکل­پذیری عالی همراه با ایمنی و سرعت بالا به کار برده شوند. از دیگر انواع ابرخازن­های هیبریدی، توسط شرکت Ioxus تولید شده است که دارای سه برابر چگالی انرژی ابرخازن­های مرسوم و سیکل تخلیه 100000 می­باشد ]35[.

2-3- ذخیره ­سازی انرژی حرارتی

يکی از روش‌های ذخیره کردن انرژي حرارتي، ذخیره نمودن انرژی گرماي نهان با استفاده از مواد تغییرفازدهنده[1] طي فرايند تغییر حالت از جامد به مايع با استفاده از پیوندهای شیمیایی است. توسعه نانو مواد، ساختارهایی را مهیا نموده که قابلیت جذب حجم بسیار بالای انرژی حرارتی و آزادسازی آن را در زمان بسیار کمتری در مقایسه با مواد معمولی دارند. ذخیره نمودن انرژی حاصل از موتور با استفاده از نانو مواد در جت‌ها و هواپیماهای مسافربری مثل بوئینگ 777 و 787 و ایرباس A-380 جهت تبدیل به انرژی الکتریکی و استفاده بهینه در سنسورها و وسایل الکترونیک، می­تواند مفهوم هواپیماهای الکتریکی (MEA) را با سرعت بیشتری ­توسعه بخشد.

1-2-3- کامپوزیت بوتیل استئارات/نانو گرافیت متخلخل

 با توجه به جاذبه بین گروه­های آلی در سطوح داخلی نانو گرافیت­های متخلخل و گروه­های آلی مواد تغییرفازدهنده، مقدار زیادی از این مواد می­توانند به راحتی و بدون اعمال فشار بالا با استفاده از محیط خلاء بین لایه­ها داخل تخلخل­های گرافیت قرار گیرند. معمولاً رسانایی حرارتی کامپوزیت ساخته شده حدود 10 برابر بیشتر از مواد تغییر فاز دهنده­ی رایج می­باشد. از این نانو کامپوزیت می‌توان در سیستم مبدل گرمایی موجود در جنگنده F-35 استفاده نمود ]36[.

2-2-3- گرافن چند لایه عیوب دار[2]/ اکسید گرافیت/ مواد کربنی متخلخل سه بعدی

 گرافن چند لایه عیوب دار و اکسید گرافیت با حفره های نانومتری می­تواند محیطی بسیار مناسب برای ساخت انواع مختلف نانوکامپوزیت‌های تغییرفازدهنده باشد. انرژی ذخیره شده در این نوع کامپوزیت­ها می­تواند تا حدود صدها سیکل حرارتی پایدار بماند ]37[ .

 

3-2-3- کامپوزیت نانو لوله کربن/آزوبنزن[3]

ذخيره‌سازي انرژي گرمايي خورشيدي به صورت شيميايي (به جاي تبديل آن به الكتريسيته و يا ذخيره‌سازي خود انرژي گرمايي در مخازن عايق شده) از اهمیت به سزایی برخوردار است. زیرا مواد شيميايي را مي‌توان براي مدت طولاني بدون اينكه انرژي ذخيره شده در آن از بین برود نگهداري نمود. این نوع ذخیره­ سازی يا بايد به وسيله عنصر گران­قيمت و كمياب روتنيم انجام می‌گیرد و يا اينكه مقداري از آن طي سيكل‌هاي تبديل هدر می­رود. با استفاده از کامپوزیت­های متشکل از نانولوله­ های كربنی و تركيبات آزوبنزن می­توان مقدار بسيار بيشتري (حدود 10000 بار بيشتر) انرژي را ذخيره نمود. ( این اندازه چگالي حجمي انرژي با باتري­هاي ليتيوم-يون قابل مقايسه است) با استفاده از این نوع نانوکامپوزیت و با حذف عنصر روتینیم نه تنها از میزان هزینه­ها به میزان قابل توجهی کاسته می­شود، بلكه با توجه به بهینه­ سازی روش‌هاي ساخت مي‌توان فعل و انفعالات مولكولي را كنترل نموده و مقدار انرژي را برای زمان­های خیلی طولانی نگهداری نمود ]38[. پیش­بینی شده که از این نانو کامپوزیت می­توان در پهپاد­های خورشیدی از قبیل Helios و Green Pointer I استفاده نمود.

 

3-3- ذخیره ­سازی هیدروژن

هيدروژن يك كانديداي ايده­ال به عنوان حامل انرژي و یک سوخت پاك مي­باشد، به­ شرط اينكه مشكل ذخيره‌سازي ارزان و ايمن آن حل گردد. اين فناوری سبب تغيير رويه از موتورهاي احتراق داخلي با بازدهي كم و آلوده­كننده محيط زيست، به موتورهای با آلودگي تقریبا صفر مي­شود. از نظر کلی این ذخیره­سازی به روش­های فشرده­ سازي در مخازن، ذخيره­سازي بصورت مايع، ذخيره­سازي هیدریدی در فلزات و جذب فيزيكي روي مواد جاذب قابل انجام می­باشد. ذخيره­ سازي بر مبناي جذب فيزيكي دارای بالاترین بازدهي انرژي است. هیدروژن جذب شده مي تواند با سرعت بالا و به آسانی با كمي تغيير در فشار و يا دما آزاد شود.  علی­رغم اینکه در هيدريدهاي فلزي براي آزاد كردن هيدروژن می‌باید پيوندهای شیمیایی شکسته شود که سبب صرف انرژي و هزينه­ های بالا می­شود، در جذب فيزيكي پيوندهای شيميايي شکسته نمی­شوند. با استفاده از فناوري نانو و استفاده از نانومواد متخلخل می­توان هیدروژن را ذخیره کرده و به عنوان سوخت پاک جايگزين سوخت­های فسیلی نمود. مواد جاذب بايد از نظر مكانيكي بسیار قوي و ایمن بوده، قابلیت استفاده طولانی مدت و در سیکل­های متعدد را داشته باشد، هم­چنین ارزان­بودن و سبكی از دیگر خواص مورد نظر برای انتخاب این مواد می­باشد. استفاده از نانوکامپوزیت­های حاوی نانولوله­ های کربنی و گرافن به دلیل مزایایی از قبیل وزن کم، مساحت سطح بالا، پایداری شیمیایی و حرارتی بالا، تولید سریع و قابلیت بازگشت­ پذیری سیکلی بالا از اهمیت به سزایی برخوردار است. هواپیماهایی از قبیل توپولف TU-155، بوئینگ DA20، Antares DLR-H2 و پهپاد بویینگ Phantom Eye از نمونه­ های موفق هواپیماهای دارای سیستم سوخت هیدروژنی می­باشند.

 1-3-3- نانوکامپوزیت پایه کربوکسیل[4]

اگرچه رایج ترین فلزات واسطه موجود در شبکه کربوکسیلات  Cu⁺²و Zn⁺² می­باشند، ولی یون­های سبک­تر از جمله فلزات گروه اصلی بر پایه B⁺³ وBe⁺²  ساخته شده­اند و ساختار نانو کامپوزیت کربوکسیل تشکیل یافته، ظرفیت ذخیره­سازی هیدروژن بالاتری را نسبت به یون­های گروه­های فرعی نشان می­دهند، اما مشکل استفاده از این نانو کامپوزیت در سیستم ذخیره­سازی هیدروژنی این است که آن‌ها بیش از حد سمی بوده و عملاً نمی­توانند به کار گرفته شوند ]39[.

 

——————————————————–

[1] phase change material(PCM)

[2] Structurally defected multilayer graphene

[3] Azobenzene

[4] Carboxylate-based framework

 

 

 2-3-3- نانو پودر آلیاژهای نیکل، منیزیم، نقره و نانو ذرات SiO₂

یکی از انواع مواد مورد بررسی جهت ذخیره­سازی هیدروژن کامپوزیت ترکیبی از پودر منیزیم و آلومینیوم در ابعاد میکرو ولی با سطوح نانوساختاری مهندسی شده می­باشد. از مزایای این مواد می­توان به سرعت بسیار بالای جذب و آزادسازی هیدروژن اشاره کرد ]40[.

3-3-3- کامپوزیت نانولوله کربنی و گرافن متخلخل

غالباً هيدروژن در نانولوله­ هاي كربني خالص به صورت مولكولي ذخيره مي شود. همچنین مقادير محدود مولكول هيدروژن مي­تواند در نقوص شبكه نانولوله كربني ذخيره گردند كه داراي مزاياي بیشتری در مقايسه با سيستم­هاي هيدريدي فلزی می­باشند. به دلیل اثر متقابل ضعيف بين مولكول­های هيدروژن و نانولوله­ هاي كربني تنها در دماهاي پايين می­توان از آن به عنوان یک روش موثر استفاده کرد و بنابراين ظرفيت بالای ذخيره سازي هیدروژن از طريق جذب فيزيكي در دمای محیط و دماهای بالا قابل دسترسي نیست­. به همین دلیل ساخت کامپوزیت­های سه بعدی کربنی حاوی گرافن و نانولوله کربنی از اهمیت بالایی برخوردار است. در حال حاضر ناسا برنامه گسترده ای را جهت توسعه سیستم­های انرژی با استفاده از مواد پایه گرافنی پیگیری می­کند ]41[ .

 

4- انتقال انرژی

تولید و ذخیره سازی انرژی و تبدیل انرژی گام­های اولیه در یک سیستم انرژی است. مرحله بعد این است که چگونه می‌توان انرژی را به قسمت­های مختلف یک سیستم جنگی منتقل نمود.

1-4- سیم­های نانو لوله کربنی

استفاده از سیم­های حاوی نانولوله­ های کربن و با وزن بسیار پایین (حدود یک ششم سیم­های مرسوم فلزی) به جای استفاده از سیم­های معمولی مثل سیم مسی می­تواند به میزان قابل توجهی از وزن سیستم­های توزیع برق در ادوات جنگی به خصوص پهپادها بکاهد. علاوه بر این، کاهش مقاومت الکتریکی و کاهش تلفات انرژی از مزایای دیگر سیم­های نانولوله کربنی نسبت به سیم­های معمولی است. سیم­های نانو لوله کربنی دچار زنگ زدگی نمی­شوند و دارای انعطاف­پذیری بالاتری نسبت به سیم­های مسی می­باشند و در نتیجه منجر­به سیم­کشی با دوام­تر و امن­تری در داخل سیستم­های قدرت هستند. در حال حاضر سیم­های سبک حاوی نانولوله ­های کربن و کابل­های برق آن قابل استفاده در هواپیماها و پهپادها توسط شرکتNanocom US   به صورت تجاری در آمده است. آزمایشات استحکام و دوام طولانی مدت استفاده از این کابل­ها از ضروریات به کارگیری این سیم­ها در سیستم­های پیشرفته انتقال قدرت می­باشد. هم­چنین از دیگر مزیت سیم­های نانو­لوله کربنی خاصیت مقاومت آن­ها در برابر صاعقه است­ که کاربرد آن­ها را در پهپادها دو چندان می­کند ]41[.

نتیجه گیری:

فناوری نانو دارای پتانسیل پیشرفت­های بنیادی فراوانی در بهبود منابع انرژی متداول( سوخت­های هسته­ای و فسیلی) و همچنین منابع انرژی تجدیدپذیر است. پیشرفت­های شگرف فناوری نانو به واسطه معرفی فناوری ­هایی با بازده بالاتر، قیمت کمتر و مناسب از لحاظ زیست­محیطی به ما امکان می­دهد در تأمین انرژی برای سامانه­ های مختلف فراتر از گزینه­های فعلی قدم برداریم.  همان­طور که در این گزارش ذکر شد فناوری نانو در چهار حوزه کاتالیزور­های سوخت، تولید و تبدیل انرژی، ذخیره­سازی انرزی و توزیع یا انتقال انرژی تآثیرگذار است. علاوه بر موارد گفته شده فناوری نانو در هنگام مصرف انرژی نیز در صرفه­ جویی آن مؤثر است. کاهش مصرف سوخت در اتومبیل­ها به علت استفاده از مواد نانوکامپوزیتی با وزن کم، بهینه سازی مصرف سوخت با کمک اجزای موتور با وزن کمتر و مقاومت در برابر سایش بالاتر، افزودنی­های سوخت بر پایه نانوذرات و حتی تایرها بهیود یافته با مقاومت غلتان پایین نمونه­ هایی از کاربردهای فناوری نانو در بهبود مصرف انرژی است. با این گستردگی حوزه­ کاربرد، فناوری نانو توجه بسیاری از محققان و سرمایه­گذاران را جلب کرده است. با این حال سوالات زیادی پیش رو است که پاسخ آن­ها تأثیر مستقیم بر سیاست­های حوزه انرژی خواهد گذاشت.

مراجع:

1. Wakefield, Gareth. “Fuel or fuel additive containing doped cerium oxide nanoparticles.” U.S. Patent No. 7,169,196. 30 Jan. 2007.
2. Allen, Casey, et al. “An aerosol rapid compression machine for studying energetic- nanoparticle-enhanced combustion of liquid fuels.” Proceedings of the Combustion Institute 33.2 (2011): 3367-3374.
3. Sabourin, Justin L., et al. “Functionalized graphene sheet colloids for enhanced fuel/propellant combustion.” ACS nano 3.12 (2009): 3945-3954.
4. Ha, Su, and M. Grant Norton. ” Catalyst materials and methods for reforming hydrocarbon fuels” U.S. Patent Application 12/879,298.
5. Anderson, Scott L., Brian R. Van Devener, and Jesus Paulo L. Perez. “Functionally Coated Non-Oxidized Particles and Methods for Making the Same.” U.S. Patent No. 20,120,270,050. 25 Oct. 2012.
6. Imahori, H., Umeyama, T., Ito, S. “Large π-Aromatic Molecules as Potential Sensitizers for Highly Efficient Dye-Sensitized Solar Cells”, Accounts of Chemical Research, Vol. 42, pp. 1809-1818, (2009)
7. http://dc344.4shared.com/doc/ULh-YoeP/preview.html
8. http://comamiri2ab.persianblog.ir/post/4
9. Brabec, Christoph, Pavel Schilinsky, and Christoph Waldauf. “Nanoporous fullerene layers and their use in organic photovoltaics.” U.S. Patent No. 7,781,254. 24 Aug. 2010.
10. Karkada, Nagaveni, and Sheela Kollali Ramasesha. “LOW BAND GAP SEMICONDUCTOR OXIDES, PROCESSES FOR MAKING THE SAME, AND DYE SENSITIZED SOLAR CELLS CONTAINING THE SAME.” U.S. Patent Application 12/025,209.
11. Ma, Tingli, et al. “High-efficiency dye-sensitized solar cell based on a nitrogen-doped nanostructured titania electrode.” Nano letters 5.12 (2005): 2543-2547.
12. Reddy, Damoder. “NANOPARTICLE SENSITIZED NANOSTRUCTURED SOLAR CELLS.” U.S. Patent Application 11/675,586.
13. Lin, Yun-Yue, et al. “Nanostructured metal oxide/conjugated polymer hybrid solar cells by low temperature solution processes.” J. Mater. Chem. 17.43 (2007): 4571-4576.
14. Zhou, Chaoyin, and Richard W. Burns. “Durable transparent conductors on polymeric substrates.” U.S. Patent No. 8,163,205. 24 Apr. 2012.
15. Roadmap Report concerning the use of Nanomaterials in the Energy Sector. Nanomaterial Roadmap 2015 funded by the European Commission.
16. Venkatasubramanian, Rama, et al. ” Thin film thermoelectric devices for power conversion and cooling” US Patent Application No. 11/641563.
17. Carralero, Michael Alexander, and John Lyle Vian. “Sensor network incorporating stretchable silicon.” U.S. Patent No. 7,948,147. 24 May 2011.
18. Wong, Ching-Ping, and Yang Rao. “High dielectric constant nano-structure polymer-ceramic composite.” U.S. Patent No. 6,544,651. 8 Apr. 2003.
19. Larminie, J., Dieks, A., “Fuel Cell Systems Explained” john Wiley & Sons, 2000
20. E G&G Serviceas; “Fuel Cell Hand Book”; Fifth Ed. Parson Inc. Oct 2000.
21. Gnana Kumar and Kee Suk Nahm (2011). Polymer Nanocomposites – Fuel Cell Applications, 24. Advances in Nanocomposites – Synthesis, Characterization and Industrial Applications, Dr. Boreddy Reddy (Ed.), ISBN: 978-953-307-165-7, InTech.
22. Advances in Nanocomposites – Synthesis, Characterization and Industrial Applications, Dr. Boreddy Reddy (Ed.), ISBN: 978-953-307-165-7, InTech
23. www.dodfuelcell.com

23.Pillai, Vijayamohanan K., R. Kannan, and Bhalchandra A. Kakade. “COMPOSITION WITH ENHANCED PROTON CONDUCTIVITY.” U.S. Patent Application 12/867,086.

24. Ruoff, Rodney S., et al. “Graphene oxide sheet laminate and method.” U.S. Patent Application 12/152,283.
25. Moniz, Ernest J. Nanotechnology for the energy challenge. Wiley-VCH, 2010, Page 25.
26. Yang, Jinhua, et al. “Stabilization and compressive strain effect of AuCu core on Pt shell for oxygen reduction reaction.” Energy & Environmental Science (2012).
27. Norton, M. Grant, et al. “Molybdenum Dioxide: A Reforming Catalyst for Fuel Flexible Fuel Cells.” Celan Technology 2010, ISBN- 9781439834190, 255-258.
28. Aviation Week, “Massive 787 Electrical System Pressurizes Cabin” 3/27/05
29. Scrosati, Bruno, and Jürgen Garche. “Lithium batteries: Status, prospects and future.” Journal of Power Sources 195.9 (2010): 2419-2430
30. Lan, C.J., Chi, Y.F., and Chin, T.S. (2008) ECS Trans., 3 (42), 51.
31. Biswal, Sibani Lisa, et al. “STRUCTURED SILICON BATTERY ANODES.” U.S. Patent No. 20,120,231,326. 13 Sep. 2012.
32. Zhang, Huigang, Xindi Yu, and Paul V. Braun. “Three-dimensional bicontinuous ultrafast-charge and-discharge bulk battery electrodes.” Nature Nanotechnology 6.5 (2011): 277-281.
33. Pushparaj, Victor L., et al. “Flexible energy storage devices based on nanocomposite paper.” Proceedings of the National Academy of Sciences104.34 (2007): 13574-13577.
34. Lu, Chun, Kevin Huang, and Rosewell J. Ruka. “Porous Carbon Oxide Nanocomposite Electrodes for High Energy Density Supercapacitors.” U.S. Patent Application 12/695,405.
35. Amatucci, Glenn G. “Nanostructure lithium titanate electrode for high cycle rate rechargeable electrochemical cell.” U.S. Patent No. 7,211,350. 1 May 2007.
36. Elias, J. Michael, and Bruce M. Cepas. “Method and apparatus for absorbing thermal energy.” U.S. Patent No. 6,621,702. 16 Sep. 2003.
37. Klett, James W., and Timothy D. Burchell. “Pitch-based carbon foam heat sink with phase change material.” U.S. Patent No. 6,037,032. 14 Mar. 2000.
38. Kolpak, Alexie M., and Jeffrey C. Grossman. “Nano-Templated Energy Storage Materials.” U.S. Patent No. 20,120,325,200. 27 Dec. 2012.
39. Murray, Leslie J., Mircea Dincă, and Jeffrey R. Long. “Hydrogen storage in metal–organic frameworks.” Chemical Society Reviews 38.5 (2009): 1294-1314.
40. Uchiyama, Naoki, Tomomi Kanai, and Kazumi Harada. “Hydrogen Storage Alloy and Hydrogen Storage Unit Using Same.” U.S. Patent Application 13/393,798.
41. Meador et al. Nasa Draft Nanotechnology Roadmap, Technology Area 10, November 2010.