بکارگیری منسوجات در حوزه انرژی با رویکرد نانوفناورانه

دانش نساجی از کهن­ترین علوم مورد استفاده بشر بوده است . در گذشته استفاده از این علم به رفع احتیاجات بشر به پوشش محدود بوده است. در دنیای امروز از فناوری نساجی در زمینه­های مختلف از جمله پزشکی، عمران، علوم نظامی و غیره استفاده می­شود. در سال­های اخیر فناوری­نانو به عنوان یک ابزار کاربردی در علوم مختلف مورد استفاده قرار گرفته که مهندسی نساجی از این اصل مستثنا نبوده است. استفاده از فناوری­نانو در تولید منسوجات نانوساختار مورد استفاده در تبدیل، ذخیره و توزیع انرژی از جمله مواردی است که توجه محققان و صنعتگران را به خود معطوف داشته است.

 مقدمه

استفاده ازفناوری نانوتوان لازم را برای افزایش بازده انرژی در شاخه­های مختلف صنعتی فراهم آورده و تولید انرژی تجدیدپذیر و بهینه­سازی فناوری تولید انرژی را از طریق به کارگیری روش­های نوین امکان­پذیر ساخته است.در دراز مدت، فناوری نانو نقش چشم­گیری در تامین انرژی پایدار و حفاظت از محیط زیست ایفا خواهد نمود. در نمودار 1 نقش فناوری نانو در بخش­های مختلف زنجیره انرژی نشان داده شده است [1].

شکل 1. مثال هایی از کاربردهای بالقوه فناوری نانو در بخش انرژی[1].

• کاربرد فناوری نانو در برداشت و ذخیره انرژی

انرژی در دنیای متمدن امروز از اهمیت فراوانیبرخوردار است. تامین میزان مصرف فزاینده انرژی، تنها با استفاده از سوخت­های فسیلی برگشت­ناپذیر امکان­پذیر نخواهد بود. کاهش میزان مصرف انرژی با استفاده از فناوری­های با کارایی بالا و تبدیل سایر انواع انرژی به انرژی الکتریکی پیشنهادهای موثری برای فائق آمدن بر بحران جهانی انرژی به نظر می­رسد.  در این راستا، استفاده از فناوری نانو برای حل برخی مشکلات یاد شده موثر می­باشد. برای مثال ساختارهای نانولیفی در مقایسه با ساختارهایی با ابعاد بزرگ­تر از توان تبدیل انرژی بالاتر و بازدهی بیشتری در ذخیره انرژی برخوردار هستند.در بخش­های بعد نمونه­هایی از کاربرد فناوری نانو در زمینه منسوجات مورد استفاده در حوزهانرژی بیان خواهد شد.

 

• نانوالیاف رسانا

1-4-1  الیاف نانولوله کربن: نانولوله­های کربنی به دلیل خصوصیات ارزشمندی نظیر رسانش الکتریکی(S/cm 10⁵)، مدول یانگ (TPa0.9)، استحکام کششی (GPa150)، رسانش حرارتی(W/mK 3500) و خواص نوری به صورت گسترده در تولید الکترود، محرک، فیلتر، ترانزیستور و محصولات با ساختار لیفی مورد استفاده در حوزه انرژی مورد استفاده قرار می­گیرند. روش­های مختلفی که برای تولید الیاف نانولوله کربن وجود دارد، درشکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2. روش­های تولید الیاف نانولوله کربن

 

1-4-2  الیاف گرافن

گرافن به دلیل سطح مخصوص بالا در حدود m²/g2630، جنبش ذاتـی بالا (cm²/Vs 200000)، مدول یانگ بالا (حدود TPa1)، رسانش حرارتی بالا (W/mK5000) و شفافیت نوری بالا (حدود %97.7) از قابلیت کاربرد فراوان در زمینه­های مختلف برخوردار است. در پی موفقیت در تولید الیاف نانولوله کربنی، محققین در پی تولید الیاف یک بعدی حاوی صفحات گرافنی هستند. در میان روش­ها تولید،  روش ترریسی که در آن کریستال مایع اکسید گرافن از طریق اکسترودر به حمام انعقاد[1] وارد می‌شود، بیش از سایر روش­ها مورد تائید قرار گرفته است[2].

————————

[1]Coagulation bath

 

 

شکل 3. تولید الیاف اکسیدگرافن به روش ترریسی(a)، تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی الیاف(b,c)، پارچه بافته شده از الیاف گرافن(d)

 

 

• 1-2- سلول­های خورشیدی(Solar cells)

هرچند تلاش برای افزایش بازده سلول­های فوتوولتائیک معدنی در حال انجام است، لیکن نفوذ این تجهیزات در بازار مصرف کماکان به دلیل قیمت زیاد در مقایسه با منابع انرژی تجدیدناپذیر به کندی صورت می­گیرد. تحقیقات نشان می­دهند که معمولاً در زمان محاسبه بهـای تمام شده انرژی خورشیدی، از مزیت طول عمر زیاد سامانه­های فوتوولـتائیک صرفنـظر می­شود. زیرا بهای تمام شده برای تولید هر کیلووات ساعت انرژی الکتریکی در سلول­های خورشیدی سیلیکونی تقریباً 0.65-0.15 دلار می باشد. این قیمت تقریباَ 3 برابر قیمت الکتریسیته تهیه شده از سوخت­های فسیلی است. علاوه بر قیمت زیاد سلول­های خورشیدی معدنی، افزایش بالقوه تقاضا برای مصرف کریستال­های سیلیکونی در صنایع الکترونیک، می­تواند منجر به بالا رفتن بهای این مواد شود. به صورت تخمینی میزان سیلیکون مورد نیاز برای تولید برق موردنیاز یک خانوار( با مصرف متوسط 20کیلووات ساعت در روز) با استفاده از سلول خورشیدی با بازده 15%، تقریباً 10000 برابر بیش از میزان سیلیکون مورد نیاز در یک رایانه می­باشد. بنابراین لزوم جایگزینی سامانه­های نوین با سلول­های خورشیدی معدنی احساس می­شود[4،3].

در حال حاضر تحقیقات بر سلول­های خورشیدی پلیمری به عنوان جایگزین سلول­های سیلیکونی در حال انجام است. قیمت سامانه­های پلیمری به دلیل امکان تولید انبوه با روش­های ارزان نظیر فرایندهای تولید از طریق محلول نظیر اسپری، نقاشی و چاپ غلتک به غلتک[1]  در مقایسه با سامانه­های سیلیکونی کمتر است. به نحوی که قیمت این سامانه­ها در یک سال به سرعت کاهش یافته است (از 35 یورو به 8 یورو به ازای هر وات انرژی). هرچند طول عمر سلول­های خورشیدی پلیمری در مقایسه با انواع سیلیکونی به مراتب کمتر است، لیکن قیمت کمتر، سبک­تر بودن موادپلیمری نسبت به مواد سیلیکونی، انعطاف بیشتر و قابلیت تولید مستقیم بر سطوح مختلف نظیر پلاستیک از جمله مزایای قابل توجه این سامانه­ها به شمار می­روند[5].

در میان روش­های موجود، تولید نانوالیاف به روش الکتروریسی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این روش برای کشیدن محلول پلیمری و تبدیل آن به الیاف، انرژی مکانیکی با انرژی الکتریکی جایگزین شده است. از آنجایی که از این روش می­توان برای تولید الیاف میکرو و نانومـتری بهره برد، امکان توسعه فوتوولتائیـک­های آلی به این طریق امکان­پذیر می­باشد. ابعاد کوچک این تجهیزات منجر به افزایش بازده جمع­آوری الیاف و کاهش اتلاف انرژی در آن­ها می­شود[6].

به طورکلی دو نوع ساختار نانویی تک بعدی با استفاده از روش الکتروریسی تولید می­شود:

• نانوالیاف غیرآرایش­مند: الکتروریسی با روش معمول سبب ایجاد یک بستر منسوج بی­بافت متشکل از نانوالیاف می­شود که این نوع منسوجات در مصارفی نظیر فیلتراسیون، داربست­های پزشکی و فیلم­های پوشش­دهنده ایمپلنت[2](مواد قابل کاشت در بدن) مورد استفاده قرار می­گیرند( شکل3(a)) .
• نانوالیاف آرایش­مند: الکتروریسی با طراحی و تجهیزات پیشرفته­تر نظیر صفحات جمع­آوری الیاف دوار و یا سیلندری که سبب ایجاد نانوالیاف آرایش­مند یا دسته الیاف تک محوره[3] می­شود، که از این الیاف در تجهیزات مبدل انرژی بهره­برداری می­شود.(شکل4(b,c))

 

شکل4  .تصویر میکروسکوپ الکــترونی روبــشی  از نانوالیــاف الکتروریسی شده به صورت تصـادفی(a) ، آرایش­مند تحـت زاویه مشخص(b) و آرایش­مند(c)

 

————————-

[1]Roll to roll printing

[2]Implant

[3]Uniaxial

 

سـاختار تک­بعـدی الیاف اکسید فلـزی به منظور هدایـت بهتر بار الکتـریکی و پلیمرهایی نظیر پلـی اسـتایرن[1](PS)، پلـی متیل­متاکریلات[2](PMMA)، پلی وینیل­پیرولیدن[3](PVP) و پلی ویـنیل­استات[4](PVAc) برای تولیـد این نانوالیاف در نظر گـرفته می­شوند. در مقایسه با سایر پلیمرها، PVP در حلال­های بی­زیانی نظیر آب انحلال­پذیر است و به این ترتیب محلول ریسندگی مناسبی برای الکتروریسی فراهم می­شود و این پلیمر برای تولید الیاف سرامیکی در مقیاس انبوه پیشنهاد می­شود. با جایگزین شدن الکترولیت­های مایع با انواع جامد و شبه جامد، امکان تولید سلول­های خورشیدی انعطاف­پذیر فراهم می­شود. ساختارهای نانولیفی اکسیدفلزی که به روش الکتروریسی تولید می­شوند در مقایسه با نانوذرات اکسید فلزی از تخلخل بیشتری برخوردار هستند، که این امر قابلیت نفوذ پلیمرهای با گرانروی زیاد[5] (الکترولیت ژل) را فراهم می­سازد.

در حال حاضر، مهم­ترین مشکل استفاده از نانوالیاف معدنی در سلول­های خورشیدی، میزان چسبندگی اندک این الیاف به ماده زمینه پس از تکلیس[6] است.به دلیل استفاده از دمای زیاد در این فرایند که به منظور زدودن پلیمرهای اتصال دهنده[7] استفاده می­شود، تنش­ زیاد  ایجاد شده که سبب جمع­شدگی بستر نانولیفی و جدا شدن الیاف از ماده زمینه می­شود[7].

 

 

 

• سلول­های سوختی(Fuel cells)

سلول­های سوختی تجهیزاتی برای تبدیل انرژی حاصل از اکسیدشدن الکتروشیمیایی سوخت­های هیدروژنی (در حضور یک کاتالیزور فلزی) به جریان الکتریکی است. این تجهیزات نیازمند شارژ مجدد یا تعویض نیستند، از این رو در سال­های اخیر تحقیقات به افزایش بازده و ظرفیت تولید آنها معطوف شده است. سلول­­ سوختی متشکل از یک الکترولیت است که میان آند(قطب منفی) و کاتد(قطب  مثبت) قرار می­گیرد. نوع الکترولیت تعیین کننده نوع سلول سوختی است. غشاء­های الکترولیتی پلیمری[8](PEM)و سلول­های سوختی متانولی برای حرکت خودرو و تجهیزات الکترونیکی قابل حمل نظیر دستیارهای دیجیتال شخصی[9](PDAs)، تلفن­ همراه  و رایانه­های دستی مورد استفاده قرار می­گیرند. سلول­های سوختی متانولی به دلیل قابلیت کار در دمای محیط از مقبولیت زیادی برخوردار هستند. در این سلول­های سوختی متانول به عنوان سوخت مایع در حضور کاتالیزورهای فلزی (پلاتینیوم یا پلاتینویم/روبیدیوم) الکترواکسید شده و به این ترتیب جریان الکتریسیته تولید می­شود. طرح­واره نحوه عملکرد این سلول­های سوختی در شکل نشان داده شده است.

 

شکل5.  طرح­واره  سلول سوختی متانولی. غشاء مبادله کننده پروتون به عنوان الکترولیت فقط به یون­های مثبت اجازه عبور می­دهد و الکترون­های دارای بار منفی در مدار خارجی به عنوان جریان الکتریسیته حرکت می­کنند. الکترودهای متشکل از نانوالیاف کربن حاوی کاتالیزور در شکل نشان داده شده است.

————————————————–

[1] Polystyrene

[2] Polymethylmethacrylate

[3] Polyvinylpyrrolidone

[4] polyvinyl acetate

[5]Viscous

[6]Calcinations

[7]Binder

[8]Polymer electrolyte membrane

[9]Personaldigital assistants

 

معمولاً سلول­های سوختی دارای مقادیر قابل توجهی پلاتینیوم(60-20 درصد وزنی) به عنوان کاتالیزور آند و لایه نازک کاهنده مقاومت الکتریکی می­باشند. به دلیل قیمت بالای کاتالیزورهای فلزی، تحقیقات در این حوزه با هدف کاهش میزان کاتالیزور مورد نیاز (در حدود 0.1 میلی گرم در هر سانتی­متر مربع)  صورت گرفته است. به منظور بهبود عملکرد کاتالیزورهای آند، مواد نگه­دارنده کاتالیزور باید پایدار بوده و از توزیع یکنواخت برخوردار باشند. به این سبب استفاده از نانومواد متخلخل با نسبت سطح جانبی بیشتر به عنوان الکترود پیشنهاد شده است. نانوالیاف پلی آنیلین[1](PANI) به عنوان موثرترین بستر ماتریسی برای توزیع نانوذرات پلاتینیوم معرفی شده است. ساختار منفذدار نانوالیاف PANI، منجر به دسترسی آسان­تر پیش­ماده سوختی به کاتالیزور می شود و همچنین این الیاف از هدایت الکتریکی بسیار خوبی بهره­مند می­باشند. از سوی دیگر با استفاده از روش الکتروریسی امکان تولید نانوالیاف حاوی نانوذرات کاتالیزور وجود دارد که به صورت یکنواخت و بدون  استفاده از یک عامل سطح فعال و یا الگوی خاص در بستر الیاف توزیع شده­اند.

سایز منافذ میان نانوالیاف با کنترل پارامترهای فرایند نظیر پتانسیل الکتریکی اعمال شده یا نرخ کشش در طی الکتروریسی قابل تنظیم می­باشد. برای مثال در سلول­های سوختی متشکل از نانوالیاف کربن تابیده شده[2] به عنوان آند، نتایج بهتری نسبت به نانوالیاف کربن صاف فراهم آمده است که این امر ناشی از بهبود قابلیت توزیع یکنواخت پلاتینیوم در ساختار اول می­باشد. از نانوالیاف حاوی نانولولـه­های کربن تک دیواره(SWCNTs) و چـند دیواره(MWCNTs) نیز برای تولید آنـد سلول­های سوختی استفاده می­شود.

• باتری­های یون لیتیوم(Lithium ion batteries)

تولید باتری­های یون لیتیوم لیفی به منزله منبع انرژی تجهیزات الکترونیکی با قابلیت پوشیدن[3] از اهمیت زیادی برخوردار است. در سال 2005، گُردُن والاس[4] و همکارانش موفق به تولید نخستین نوع از این باتری­ها شدند. در این باتری پلی پیرول-هگزا فلوروفسفات[5] به عنوان کاتد و پلی پیرول-پلی­استایرن سولفونات[6] به عنوان آند در نظر گرفته می­شود. مشاهدات انجام شده به منظور آزمون میزان انعطاف­پذیری این باتری نشان داد که ایجاد گره در این ساختار، ظرفیت باتری را تغییر نمی­دهد. امروزه، باتری­های لیتیومی لیفی متشکل از نانولوله­های کربن آرایش­مند و الکترودهای فلزی با ظرفیت تخلیه انرژی زیاد تولید شده­اند[7].

شکل6. طرح­واره باتری یون لیتیوم

باتری­های یون لیتیوم لیفی که با الکترودهای لیفی متشکل از نانولوله­های کربن آرایش­مند عمل می­کنند، نسل جدیدی از این باتری­های به شمار می­آیند. در این میان به برخی از انواع باتری­های لیتیوم لیفی به اختصار اشاره می­شود.

————————————————————–

[1]Polyaniline

[2]Twisted

[3] Wearable

[4]Gordon G.Wallace

[5] polypyrrole–hexafluorophosphate

[6] polypyrrole–polystyrenesulfonate

 

 

 

• باتری­های لیفی دارای کاتددی اکسیدمنـگنز/نانولوله کربن: در این باتـری­ها الیاف نانولوله کربنی(CNT) آرایش­مند حاوی نانوذرات دی اکسید منگنز(MnO₂) به عنوان کاتد مورد استفاده قرار می­گیرند. الیاف CNT از آرایه CNT با قابلیت ریسندگی با قطر کنترل شده 30-20 میکرون تهیه می­شود. نانوذرات MnO₂طی رسوب­دهی الکتروشیمیایی در محلول آبی در الیاف CNT قرار داده می­شوند. میزان نانوذرات از طریق دفعات رسوب­دهی (0.5 تا 8.6 درصد وزنی) قابل تغییر است. در این باتری سیم لیتیومی به عنوان آند در نظر گرفته می­شود. طرح­واره این نوع باتری لیتیوم لیفی در شکل 7 نشان داده شده است. در این نوع باتری از استفاده از هرگونه جمع­کننده جریان سیمی اضافی پرهیز شده است.

شکل 7. طرح­واره باتری یون لیتیوم لیفی متشکل از سیم لیتیوم(آند) و کامپوزیت لیفی CNT/MnO₂ (کاتد).

 

 

• باتری­های لیفی دارای آند نانولوله کربن / سیلیکون: برخلاف نوع قبل، در این نوع از باتری های لیتیومی، سیلیکون در الیاف نانولوله کربنی وارد نمی­شود. در این نوع باتری از فناوری تبخیر با استفاده از پرتو الکترونی[1] به منظور تبخیر سیلیکون و رسوب­دهی آن بر ورقه نانولوله کربنی استفاده می­شود. این فیلم دوبعدی آرایش­مند از کشیدن آرایه CNT و قرار دادن آن روی ماده زمینه تهیه می گردد. میزان سیلیکون با تغییر زمان کندوپاش الکترونی قابل تنظیم است. در انتها فیلم کامپوزیتی با سرعت 180 دور بر دقیقه تاب داده می­شود و به لیف کامپوزیتی CNT/Si تبدیل می­شود. در شکل 8 فرایند تهیه این الیاف به صورت طرح­واره نشان داده شده است.

شکل 8 . فرایند تولید الیاف هیبرید Si/CNT [8].

 

 

———————————————-

[1]Electronbeam evaporation technology

 

 

• باتری لیفی سیلیکون/لیتیوم منگنز اکساید(LiMn₂O₄): موفقیت در تولید الیاف هیبرید نانولوله کربن/ سیلیکون به عنوان الکترود سبب فائق آمدن برمشکل آسیب­پذیری باتری­های لیتیوم فلزی شد. بنابراین تولید باتری­های متشکل از کاتد لیفی و آند لیتیومی به منظور تولید یک باتری کاملاً لیفی در دستور کار محققان  قرار گرفت. لیتیوم منگنز اکساید(LMO)  به دلیل ولتاژ عملکرد بالا (حدود 4 ولت) و ثبات ساختاری (تغییر ابعادی کمتر از 10%) در باتری­های لیتیومی به عنوان کاتد مورد استفاده قرار می­گیرند. در تولید این نوع کاتد،  ذرات (LMO) از یک محلول مستقیماً بر ورقه نانولوله کربنی قرار داده شده و در انتها با تاب دادن به الیاف هیبریدی تبدیل می­شوند. باتری لیفی یون لیتیوم از طریق پیچش دو لیف هیبریدی نانولوله کربن به دور یک لیف پنبه­ای تهیه شده و در انتها با ژل الکترولیت پوشش داده می­شوند.

شکل 9. تولید باتری لیتیومی لیفی بر مبنای لیف پنبه­ای

 

 

 

• باتری لیفی LiMn₂O₄–Li₄Ti₅O₁₂ : جایگزین کردن لیتیوم با آندهای آلیاژی از جمله پیشرفت­های اخیر در عرصه باتری­های لیتیومی به شمار می­رود. به منظور تولید این نوع باتری، ابتدا نانوذرات لیتیوم منگنز اکساید از طریق فرایند گرمابی[1] و نانوذراتLi₄Ti₅O₁₂ به روش حالت جامدبا استفاده از آسیای گلوله­ای[2] تهیه می­شوند. نانوذرات ذکر شده از طریق فرایند ریسندگی همزمان درون ساختار الیاف نانولوله کربنی قرار داده می­شوند. در این فرایند دو ورقه نانولوله کربنی کشیده و روی یکدیگر فشرده شده و از درون محلول حاوی نانوذرات تازه تهیه شده عبور داده می­شوند. الیاف هیبریدی تهیه شده با لایه نازکی از اکسید گرافن برای ایجاد پایداری بیشتر پوشش داده می­شوند.

شکل 10. طرح­واره ­ای از یک باتری لیتیوم لیفی[9].

 

———————————-

[1]Hydrothermal

[2] Ball milling

 

 

• اَبَر خازن­های لیفی(Fiber-ShapedSuper capacitors)ابَرخازن­ها که خازن­های الکتروشیمیایی نیز نامیده می­شوند در موارد متعددی نظیر تجهیزات الکترونیکی، خودروهای هیبریدی، تجهیزات تولید انرژی تجدیدپذیر، منابع انرژی پشتیبان و تجهیزات قابل حمل مورد استفاده قرار می­گیرند. براساس سازوکار انبارشدن انرژی، ابَرخازن­ها به دو گروه اصلی تقسیم می­شوند: 1) خازن دولایه و 2) شبه خازن(شکل11).

شکل 11. طرح­واره دو نوع ابرخازن با سازوکار متفاوت.

 

همانطور که در شکل 12 نشان داده شده است، چگالی انرژی در ابرخازن­ها با افزایش مساحت جانبی، بهبود رسانش الکتریکی و افزایش ولتاژ بهبود می­یابد.

شکل12. عوامل موثر بر چگالی انرژی در ابرخازن­ها[10]

نخستین انباره انرژی لیفی توسط باگمن[1] و همکارانش در سال 2002با بهره­گیری از الیاف متشکل از نانولوله­های کربنی تک دیواره به عنوان الکترود تولید شد. ابَرخازن تهیه شده از توان الکتریکی F/g 5 و چگالی ذخیره انرژی Wh/g 0.6 و طول عمر بیش از 1200 چرخه برخوردار بود. ابَرخازن­های لیفی سپس به عنوان نمونه به صورت یک منسوج تاری-پودی بافته شد. ابَرخازن­های لیفی از مزایایی نظیر انعطاف­پذیری، استحکام و رسانش الکتریکی مناسب، چگالی توان الکتریکی زیاد (kW/kg10)، شارژ و تخلیه سریع و طول عمر طولانی(بیش از 10⁵ چرخه) برخوردار هستند[11].

از پلیمرهای فعال از نظر الکتروشیمیایی می­توان به پلی آنیلین، پلی پیرول، پلی (3،4-اتیلن­دی­اکسی­تایوفن)(PEDOT) ، پلی تایوفن(PTh) و مشتقات آن­ها اشاره کرد[12].

——————————————–

[1] Baughman

 

 

شکل 13. طرح­واره پارچه نانولوله کربنی با  رسوب سطحی دی اکسید منگنز(a) .ابرخازن متقارن متشکل از پارچه نانولوله کربن/دی اکسیدمنگنز. الکترود مثبت (پایین) دی اکسید منگنز و الکترود منفی(بالا) دی اکسید منگنز احیا شده می­باشد

از  الکترودهای لیفی تابیده شده در تجهیزات الکترونیکی ساخته شده از الیاف استفاده می­شود. در شکل 14به نمونه­ای از ابرخازن­های تهیه شده از این مواد اشاره شده است. از اکسیدهای فلزی و پلیمرهای رسانا در تولید الیاف استفاده می­شود. ابرخازن نهایی دارای یک ساختار تک بعدی است که می­توان از آنها در ساختار پارچه­های گردباف یا تاری-پودی استفاده نمود. الکترولیتی که در فواصل میان الکترودها وارد می­شود، مانع ایجاد اتصال کوتاه می­شود.

 

شکل 14: انواع مختلف ابرخازن­های لیفی تابیده شده. الف) نانوسیم اکسید روی پوشش داده شده بر روی الیاف بشرساخت.ب) الیاف پوشش داده شده با جوهر کربن فعال. ج) الیاف متشکل از نانولوله های کربنی به عنوان ابر خازن قابل شارژ با نور خورشید. د) الکترودهای لیفی دو لا . ه)پلی الکترولیت  پوشش داده شده بر روی نانوالیاف. و)الیاف کامپوزیتی پوشش داده شده با الکترولیت[13].

 

برای مثال از نانوسیم­های اکسید روی با سطح مخصوص بالا و قابلیت ذخیره بار الکتریکی زیاد، که در دمای کمتر از ºC90 سنتز می­شود، همراه با دی­اکسیدمنگنز برای تولید الیاف کامپوزیتی با قابلیت تبدیل به ابرخازن استفاده می­شود. از ابرخازن­های لیفی همراه با ژنراتورهای لیفی در منابع انرژی قابل پوشیدن استفاده می­شود. از معایب این گروه از ابرخازن­ها، چگالی اندک انرژی و توان کمتر در مقایسه با ابرخازن­های کربنی است.

از آنجایی که الکترودهای لیـفی تابیده شده می­باید به صورت مجـزا تهیه و سپس تابیده شـوند، تولـید ابرخازن­های هیبریدی (ابرخازن­های نامتقارن) پیشنهاد مناسبی برای تسهیل روند تولید بوده است. برای مثال از الیاف نانولوله کربنی آرایش­مند به صورت تابیده شده پیرامون سیم تیتانیوم استفاده می­شود.

ابرخازن­های رنگی[1]، پل ارتباطی میان مفهوم رنگی شدن[2]و ابزارهای انرژی است. در میان پلیمرهای شناخته شده، پلی­آنیلین (PANI) از هر دو قابلیت ذکر شده برخوردار است. این ماده در حالت­های گوناگون اکسید شدن به دلیل بارهای الکتریکی مختلف، رنگ­های متفاوتی نشان می­دهد. پلی آنیلین از قابلیت ایجاد رنگ زرد (در حالت اکسید شدن leucoemeraldine)، آبی (در حالت کاملا احیا شده و pernigraniline) ، سبز (در حالت کاملا اکسید شده وemeraldine) برخوردار می­باشد. از آنجایی که تغییر رنگ در این مواد به راحتی با چشم غیرمسلح قابل رویت می­باشد، ابرخازن­های رنگی گزینه مناسبی برای استفاده در حس­گرها و ابرخازن­های هوشمند منعطف به شمار می­روند.

 

شکل 15.  طرح­واره ابرخازن لیفی با قابلیت ایجاد رنگ­های متفاوت[14].

 

تلفیق قابلیت انعطاف­پذیری با  خصوصیات ذاتی خازن­های سیمی امکان استفاده از محصول نهایی را در صنعت پوشاک، پزشکی و تجـهیزات الکترونیک فردی فراهم می­سازد. در حال حاضر اغلب پوشاک از یک لایه پارچه با ضخامت، انعطـاف­پذیری و تراکم ویـژه تهیه مـی­شوند؛ که این امر امکان استفـاده از باتری و خازن­ها (متشکل از لایه­هـای نازک جمع­کننده جریان الکتریسیته[3]، الکترودها و مواد جداکننده[4]) را درون ساختار لباس محدود می­نماید و استفاده از این تجهیزات فقط در لباس­های رو که دارای تعدد لایه­های پارچه و ضخامت لازم باشند، امکان­پذیر است. بنابراین تحقیقات فراوانی برای فائق آمدن بر این  چالش در حال انجام است.

تولید ابرخازن­های لیفی دومحوره[5] (نانولوله کربن/پلی آنیلین)، با قابلیت انعطاف لازم برای پذیرش گره، از جمله پیشرفت­های انجام شده در این حوزه می­باشد[15].

 

———————————————–

[1]Chromatic Supercapacitor

[2]Chromatism

[3]Current collector

[4] Separator

[5]coaxial supercapacitor

 

• انباره ­های هیدروژن(Hydrogen storage)

استفاده از هیدروژن در سیستم­های انرژیاز چند دهه قبل مورد توجه بوده و یکی از سوخت‌های ایده‌آل برای تجهیزاتی چون پیل‌های سوختی است.مزیت مهم هیدروژن، امکان ذخیره­سازی مقدار زیاد و به مدت طولانی انرژی در  این ماده است. اما نحوه ذخیره‌سازی هیدروژن از مهم­ترین چالش­های موجود در این زمینه می­باشد. روش جذب گاز بر بستر جامد[1]به عنوان یکی از روش­های ایمن و با قابلیت ذخیره بالای انرژی شناخته شده است. از سوی دیگر خاصیت ذخیره­سازی هیدروژن در کربن فعال با سطح جانبی زیاد در تحقیقات زیادی مورد بررسی قرار گرفته شده است. در نتایج به دست آمده ثابت شده است که کربن فعال برای ذخیره هیدروژن مناسب نیست؛ زیرا درصد کمی از منافذ به حد لازم کوچک هستند که از قابلیت برهم‌کنش قوی با مولکول­های هیدروژن در دمای محیط و فشار متوسط برخوردار باشند. در سال­­های اخیر ساختارهای نوینی از  کربن نظیر نانوالیاف گرافیت، نانولوله­های کربن تک دیواره و چند دیواره برای این منظور پیشنهاد شده است.

نانوالیاف گرافیت از جمله مواد مورد استفاده برای ذخیره هیدروژن می­باشد که دراثر تجزیه مخلوط اتیلن، هیدروژن و مونواکسید کربن در حضور کاتالیزور فلزی خالص یا آلیاژی مناسب تولید می­شوند[16].

• نانوژنراتورهای لیفی پیزو الکتریک

پس از گذشت چندین دهه از تولید تجهیزات الکترونیکی مینیاتوری قابل حمل و بی­سیم، وجود منابع انرژی نوین پیشرفته­تر از باتری­های قابل شارژ و منابع انرژی نیازمند تعویض، برای این سیستم­ها ضروری به نظر می­رسد. در این خصوص استفاده از نانومواد با قابلیت تبدیل انرژی­های محیطی(نور خورشید، گرما، انرژی مکانیکی و …) پیشنهاد شده است؛ که در این میان استفاده از نانومواد پیزوالکتریک به عنوان راهکار ساده و موثری در مهار انرژی مکانیکی و تبدیل آن به انرژی الکتریکی توجه زیادی را به خود معطوف داشته است. نانوسیم­های اکسید روی از جمله قدیمی­ترین نانوژنراتورهای پیزوالکتریک به شمار می­روند. تلفیق خواص نیمه رسانایی و پیزوالکتریک  در این ترکیب منجر به تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی می­شود. استفاده از نانومواد با ماهیت ظاهری متفاوت نظیر فیلم، سیم والیاف در تحقیقات دانشمندان به چشم می­خورد.

• نانوژنراتورهای متشکل از فیلم­های پیزوالکتریک اغلب به روش­های چرخشی[2] یا رسوب­دهی لایه نازک[3] تهیه می­شوند. تنش­های مکانیکی ناشی از خمش، لرزش یا فشردگی ساختار فیلم، نیروی محرک این ژنراتورها به شمار می­روند.
• نانو ژنراتورهای سیمی معمولاً از مواد نیمه­رسانایی نظیر اکسید روی(ZnO)، سولفید روی(ZnS)، نیترید گالیم(GaN) یا سولفید کادمیم(CdS) تولید می­شوند.
• نانوژنراتورهای لیفی معمولاً به روش الکتروریسی و از مواد پیزوالکتریک نظیر تیتانات زیرکونات سرب[4](PZT) یا پلی وینیلیدین دی فلوراید[5](PVDF) تهیه می­شوند.PZT مواد سرامیکی با خواص پیزوالکتریک قابل توجه بوده که اخیراً دربرداشت­کننده­های لیـفی مورد استفاده قرار می­گیرند. از جمـله چالش­های موجود در استفاده از نانوژنراتـورهای PZT می­توان به موارد ذیل اشاره کرد:
• دمای بازپخت[6] بیش از 600 درجه سانتی­گراد برای افزایش خاصیت پیزوالکتریک PZT موردنیاز می­باشد.
• فرایند الکتروریسی نیازمند اختلاط PZT با یک ماده حلال است که این امر سبب کاهش چگالی PZT و کاهش بازده تبدیل انرژی در این ماده می­شود.

در مقابل نانوالیاف PVDF از خواص قابل توجهی نظیر انعطاف­پذیری، سبک وزن بودن، زیست­سازگاری و قابلیت تولید در طول­های بسیار بلند، ضخامت و شکل­های متفاوت برخوردار است که خواص مذکور امکان استفاده از PVDF را در برداشت­کننده­های انرژی[7] قابل پوشش و یا تجهیزات کاشتنی در بدن فراهم می­سازد[17].

• منسوجات و انرژی

در بخش­های گذشته به استفاده از الیاف در تجهیزات مربوط به انرژی اشاره شد. در شکل 19 خلاصه­ای از کاربرد این الیاف در منسوجات نشان داده شده است. در شکل 19(الف) پارچه بافته شده  به عنوان سلول خورشیدی پلیمری (PSC) ، سلول خورشیدی حساس به رنگینه[8](DSC) در شکل 19(ب)، پارچه ذخیره کننده انرژی تهیه شده از ابرخازن­های رنگی لیفی در شکل 19(ج) و پارچه بافته شده به عنوان باتری یون لیتیوم به عنوان بخشی از یک لباس در شکل 19(د) نشان داده شده است.

نمونه­های اولیه از این منسوجات ازساختارهای نانولیفی ذکر شده در بخش­های قبلی و عمدتاً به صورت تاری-پودی(بر مبنای دو الکترود) بافته شده­اند. در کاربردهای عملی، سلول­های خورشیدی پلیمری به دلیل پرهیز از استفاده الکترولیت­های مایع و دشواری کپسوله کردن مواد مایع در بستر جامد، از جذابیت بیشتری برخوردار می­باشند. پارچه­های مورد استفاده به عنوان سلول­های خورشیدی پلیمری و سلول­های خورشیدی حساس به رنگ متشکل از سیم­های تیتانیوم اصلاح شده و الیاف نانولوله کربنی تابیده شده به یکدیگر هستند. از آنجایی که سیم Ti از انعطاف کمتری نسبت به الیاف CNT برخوردار است، لذا خم کردن الکترودها برای ممانعت از تغییر شکل ضروری به نظر می­رسد. استفاده از ژل­های الکترولیتی برای ابرخازن­های لیفی و باتری­های لیتیوم به منظور سازگاری بیشتر با محیط پیرامون پیشنهاد شده است. بافت پارچه نیازمند الیاف طویل است، اما در اکثر موارد افزایش طول واحدهای انرژی لیفی سبب کاهش کارایی این تجهیزات می­شود. به منظور رفع این مشکل از استراتژی تولید منسوجات مربوط به انرژی با الکترودهای منسوج بهره گرفته شده است. در ادامه به توضیح مختصر این موارد می‌پردازیم.

1-10-1 منسوجات فوتوولتائیک

به منظور ساخت سلول خورشیدی حساس به رنگ (DSC) پارچه­ای  از دو الکترود پارچه­ای استفاده می­شود. همانگونه که در شکل20 (الف) نشان داده شده است، پارچه تهی شده از الیاف CNT برروی پارچه اصلاح شده با سیم تیتانیوم قرارداده می­شود و در ادامه الکترولیت به این سامانه تزریق می­شود.این منسوج را می­توان به سهولت بر روی بسترهای منعطف متفاوت به کار برد (شکل 20 ب).  این سلول خورشیدی بر روی لباس از توان لازم برای روشن کردن یک LED قرمز برخوردار می­باشد.(شکل 20 ج)

شکل 20. فرایند تولید سلول خورشیدی حساس به رنگ منسوج از الکترودهای منسوج(الف) ، پارچه DSC تعبیه شده برروی یک لباس(ب) ، قابلیت روشن شدن LED با استفاده از DSC منسوج[22].

———————————————-

[1]Gas-on-solid adsorption

[2]Spin-on method

[3] Thin film deposition method

[4]Lead zirconate titanate

[5]Polyvinylidene difluoride

[6]Annealing

[7] Energy harvester

[8]Dye sensitive solar cells

 

1-10-2 ابرخازن­های منسوج

در کنار استفاده از الکترودهای لیفی، استفاده از الکترودهای پارچه­ای روشی موثر برای تولید ابرخازن­های پوشیدنی می­باشد. برای مثال پوشش­دهی پارچه پنبه­ای با استفاده از نانولوله­های کربن یا ورقه­های گرافن روشیمناسب برای تولید پارچه رسانا است. استفاده از روش چاپ شابلونی کربن فعال بر سطح پارچه پنبه­ای یا پلی استر نیز برای تولید الکترودهای پارچه­ای مناسب برای  مصرف در  ابرخازن­ها پیشنهاد شده است. منسوجات ابرخازن از طریق فشرده کردن الکترودهای پارچه­ای تهیه شده از نانولوله­های کربن تهیه می­شوند. به منظور افزایش ظرفیت خازن، از رسوب­دهی الکتروشیمیایی پلی آنیلین(PANI) بر پارچه مذکور استفاده می­شود. ابرخازن با فشرده­سازی دو پارچه CNT/PANI جدا شده از یکدیگر به واسطه ژل الکترولیت تولید می­شود(شکل 21).

 

شکل 21. فرایند تولیدمنسوج ابرخازن با استفاده از الکترودهای پارچه ای کامپوزیت CNT/PANI[23]

 

• چشم ­انداز

در این گزارش برخی از موارد کاربرد منسوجات اعم از سازه­های نانولیفی و منسوجات پوشش داده شده با نانوساختارها در حوزه انرژی به اختصار بیان شد. گروهی از این منسوجات که از قابلیت حمل،پوشش و انعطاف­پذیری برخوردارند، توجه ویژه تولیدکنندگان و محققان این حوزه را به خود معطوف داشته است.

2-1 مزایا

در سال 2001، استفاده از تجهیزات لیفی در حوزه انرژی به دلیل قابلیت استفاده در تجهیزات مدرن الکترونیکی مورد توجه قرار گفت. برخی از مزایای استفاده از ساختارهای لیفی در این تجهیزات در ذیل اشاره شده است:

• انعطاف­پذیری: به دلیل استفاده از الکترودهای لیفی، تجهیزات تولید شده از قابلیت انعطاف­پذیری قابل توجهی بدون از دست دادن کارایی خود برخوردار هستند که این قابلیت امکان تولید تجهیزات قابل حمل و قابل پوشش را فراهم می­آورد.
• کوچک­سازی[1]: بدون شک کوچک­سـازی از جمله اهداف اصلی تولیـدکنندگان تجـهیزات الکترونیکی مدرن می­باشد. کوچک وسبک شدن تجهیزات الکترونیکی از مزایای اصلی استفاده از برداشت­کننده­ها و ذخیره­سازهای انرژی نانولیفی است. قطر الکترودهای لیفی در حدود mm1-0.01 است و با کنترل فرایند تولید، قطر کلی تجهیزات نهایی کمتر از mm1 خواهد بود. طول تجهیزات را نیز می­توان بدون آسیب وارد کردن به قابلیت آنها در حد چند میلی­متر کنترل کرد.
• قابلیت بافت[2]: تبدیل شدن به پارچه با استفاده از روش­های رایج بافندگی از جمله مزایای با اهمیت ساختارهای نانولیفی به شمار می­آیند. با کنترل نواحی اتصال تجهیزات لیفی در ساختار پارچه در حالت سری یا موازی، می­توان ولتاژ و توان خروجی را به نحو چشم­گیری افزایش داد.
• قابلیت پوشش[3]: در مقایسه با تجهیزات مشابه صفحه­ای، تجهیزات لیفی برای به­کارگیری در وسایل الکترونیکی قابل پوشش بسیار مناسب­تر هستند. زیرا انعطاف­پذیری و توان پذیرش تنش­های مکانیکی متوالی ناشی از تحرکات بدن فرد، سبک وزن بودن و عدم ایجاد بار اضافی برای فرد و سهولت بافت در قالب پوشاک مورد استفاده از مزایای قابل توجه این تجهیزات به شمار می­آیند.
• سایر مزایا: علاوه بر موارد ذکر شده، تجهیزات لیفی از سازوکار عملکرد ویژه­ و پیکربندی[4] تک بعدی برخوردار هستند. برای مثال راستـای نور تابیـده شده بر عملکرد سلول­های خورشـیدی لیفی بی­تـاثیر است؛ در حالی که سلول­های خورشیدی صفحه­ای فقط قادر به دریافت نور ورودی از سمت فتوآند است.

2-2 کاربرد

برای تجیهزات لیفی در حوزه انرژی کاربردهای بالقوه فراوانی در نظر گرفته شده است که در ذیل اشاره می­شود.

• تجهیزات قابل حمل: سلول­های خورشیدی لیفی سبک وزن و انعطاف­پذیر را می­توان به صورت مستقیم به عنوان منبع تولید انرژی تجهیزات الکترونیکی قابل حمل نظیر دوربین، تلفن همراه و رایانه­های قابل حمل به کار برد. از خازن­های الکتروشیمیایی لیفی و باتری­های یون لیتیوم می­توان به عنوان انرژی پیش­شارژ[5] منبع انرژی یا تجهیزات قابل حمل شارژ کننده استفاده کرد. خصوصاً با تجربه­های موفق تولید تجهیزات قابل حمل نظیر Galaxy Roundساخت شرکت سامسونگ وGoogle Glass ساخت شرکت گوگل، تجهیزات با قابلیت انعطاف زیاد به عنوان برداشت­کننده­ها و ذخیره­سازهای انرژی بیشتر مورد تقاضا قرار گرفته­اند که همین امر فرصت ارزشمندی برای توسعه تجهیزات لیفی به شمار می­رود.
• تجهیزات مینیاتوری: میکروموتورها ( قطر mm4-2) با ولتاژ محرک 3 ولت و جریان 10 میلی­آمپر و وزن حدود 0.2 گرم از جمله موارد کاربرد تجهیزات لیفی است. از تجیهزات لیفی می­توان به عنوان منبع انرژی برای به حرکت درآوردن تجهیزات الکترونیکی میکرومتری استفاده کرد.
• کاربردهای نظامی: از آنجایی که در شرایط سخت،سرباز نیازمند تجهیزات یکپارچه و مجتمع چند منظوره است؛ تجهیزات لیفی سبک، انعطاف­پذیر، قابل تلفیق[6] با سایر لوازم رزم، بادوام و پربازده گزینه مناسبی برای این موارد به شمار می­آیند. از این تجهیزات به عنوان برداشت­کننده و ذخیره­ساز انرژی خورشید و در زمان نیاز  از انرژی ذخیره شده برای شارژ تجهیزات ضروری استفاده می­شود. چادرهای صحرایی نظامی محل مناسبی برای تعبیه تجهیزات مبدل انرژی لیفی است که در طول روز انرژی نور خورشید را ذخیره کرده و در طول شب از انرژی ذخیره شده برای مصارفی نظیر روشنایی، رایانه یا وسایل ارتباطی استفاده می­شود. سربازی که از تجهیزات لیفـی همراه بهره می­برد، قادر به برداشت و ذخیره درجای انرژی برای تجهیزات قابل حمل خود می­باشد. در آینده نزدیک، کارایی بیشتری از تجهیزات لیفی مبدل انرژی نظیر حس­گر برای پایش شرایط محیطی یا حافظه برای ثبت داده­ها و … مورد انتظار است.
• تجهیزات قابل پوشش: استفاده از این تجهیزات به عنوان پوشاک، از جمله جذاب ترین موارد کاربرد این تجهیزات به شمار می­آید. علاوه بر این امکان استفاده از آنها در مصارفی نظیر عینک ، ساعت و … وجود دارد.

2-3 معایب و چالش­های موجود

با وجود مزایای ذکر شده،امکان استفاده از این تجهیزات در مقیاس انبوه هنوز در هاله­ای از ابهام است که برخی از موارد در ادامه ذکر می­شود.

• الکترودهای لیفی: از آنجایی که در تمام تجهیزات مربوطه از الکترودهای لیفی به منظور انتقال الکترون­ها استفاده می­شود، لزوم رسانش مناسب در ساختارهای لیفی به منظور کاهش مقاومت داخلی تجهیزات ضروری است. ازسوی دیگر تجهیزات مختلف نیازمند الکترودهای لیفی با قابلیت­های خاصی نظیر فعالیت کاتالیستی در سلول­های خورشیدی حساس شده با رنگ، سطح مخصوص بزرگ در خازن­های الکتروشیمیایی و رسانش در باتری­های یون لیتیوم می­باشند. از آنجایی که الکترودهای لیفی موجود تمام قابلیت­های مذکور را دارا نیستند؛ بنابراین استفاده از آنها با محدودیت مواجه است. برای مثال الکترودهای فلزی از رسانش نسبتاً زیاد (S/cm 10⁵) و سطح مخصوص نسبتاً اندک و بارگیری ضعیف برخوردارند. در حالی که، الکترودهای لیفی کربن از سطح مخصوص و قابلیت بارگیری مناسب برخوردارند؛ لیکن رسانش در این مواد ضعیف(S/cm 10³-10²) است.
• ظرفیت برداشت­کننده­ها و ذخیره­سازهای انرژی: هرچند ظرفیت تجهیزات لیفی افزایش قابل توجهی یافته است؛ لیکن هنوز میان ظرفیت این تجهیزات با تجهیزات صفحه­ای تفاوت چشم­گیری وجود دارد. برای مثال بیشترین بازده تبدیل انرژی در سلول­های خورشیدی لیفی 3.81% و بسیار کمتر از 11.5% در رقبای صفحه­ای آنان است. در ابرخازن­های الکتروشیمیایی لیفی، بیشترین ظرفیت جرم مخصوص حدود F/g 300 و در تجهیزات مشابه صفحه­ای حدود F/g 3000 است.
• پایداری: با توجه به موارد مصرف تجهیزات لیفی، پایداری از جمله مهم­ترین عوامل تاثیرگذار بر طول عمر تجهیزات می­باشد. پایداری با روش تولید ارتباط مستقیم دارد. برای مثال فوتوآندهای تهیه شده از  نانوذرات دی اکسید تیتانیوم از ساختار TiO₂ تاثیر می­پذیرد وبه طرز چشم­گیری سبب کاهش پایداری تجهیزات لیفی می­شود. همچنین یکنواخت بودن لایه ژل الکترولیت در خازن­های الکتروشیمیایی لیفی بسیار موثر است. چنانچه لایه یکنواخت نبوده یا بیش از حد ضخیم باشد، الکترودها در طول مصرف با یکدیگر تماس می­یابند و سبب اخلال در عملکرد تجهیزات لیفی می­شود.
• ایمنی: برخی از الکترولیت­های مورد استفاده در تجهیزات لیفی به شدت خورنده و برخی سمی هستند. همچنین ولتاژ مصرفی در تجهیزات لیفی سری ممکن است بیش از ولتاژ ایمن برای بدن انسان باشد. اتصال ایمن و فرایند استخراج الکترودها بسیار بااهمیت و چالش برانگیز است.

 

• منسوجات تجاری عرضه شده در حوزه انرژی

از آنجایی که استفاده از نانو منسوجات در حوزه انرژی در زمره زمینه­های جدید تحقیقاتی می­باشد و هنوز به مرحله تولید انبوه نرسیده است، لذا در ادامه به تعداد محدودی از محصولات عرضه شده در این حوزه اشاره می­شود.

——————————————————

[1]Miniaturization

[2]Weavability

[3]Wearability

[4]Configuration

[5] pre-charged energy

[6]Integrated

 

شرکتCella Energy US Inc در آمریکا یکی از شرکت­های فعال در زمینه استفاده از نانوالیاف به عنـوان ذخیره­ساز هیدروژن به شمار می­آید. تیم تحقیقاتی این شرکت به سرپرستی پروفسور استفان بنینگتون با استفاده از روش الکتروریسی هم محور موفق به حبس گاز هیدروژن در نانوالیاف شدند[26].

شرکتeZelleron GmbH یک شرکت نوپا و نوآور در زمینه توسعه منابع مولد انرژی برای استفاده در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل می­باشد. این شرکت فعالیت خود را از سال 2008 در کشور آلمان آغاز نموده است. سلول سوختی تولید شده توسط این شرکت از قابلیت استفاده برای محدوده وسیعی از ادوات کوچک تا متوسط الکترونیکی برخوردار می باشد. در سلول­های سوختی انرژی شـیمیایی به طورمستـقیم به انـرژی الکتریکی تبدیل می­شود. فرآیند اکسایش وکاهش شیمیایی که عامل اصلی تبدیل انرژی است، توسط یک الکترولیت از یکدیگر جدامی­شوند. در این سلول­ها از نانوالـیاف به عنوان عامل هدایت هیدروژن دارای بار مثبت به سمت کاتد استفاده می­شود[27].

به منظورکاهش استفاده ازسوخت­های فسیلی و پاسخگویی به0تقاضای رو به رشد برای وسایل نقلیه هیبریدی و برقی، شرکت آمریکایی دوپونت نخستین باتری پلیمری مبتنی بر جداکننده نانولیفی که سبب افزایش عملکرد و ایمنی باتری یون لیتیومی می­شود را به بازار عرضه نموده است. جدا کننده­های لیفی با نام™Energain می­تواند سبب افزایش 15 تا 30 درصدی قدرت باتری و 20 درصدی عمر باتری شده و با افزایش پایداری حرارتی باتری،ایمنی را بهبود بخشد[28].

در برخی از کشورهای پیشرفته صنعتی از برداشت‏کننده­های پیزوالکتریک منسوج به‏عنوان پرچم‏ها، پوسترهای تبلیغاتی و سنگ‏فرش‏های پیزوالکتریک به منظور تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز برای روشنایی معابر استفاده می‏شود[29].   شکل 22 : استفاده از پرچم­های پیزوالکتریک جهت برداشت انرژی ازجریان باد

شرکت محصولات ورزشی Nike و Brinco در تولید برخی کفش‏های ورزشی  و به منظور تامین انرژی تجهیزات الکتریکی قابل حمل از نانوالیاف پیزوالکتریک استفاده می­نماید[30]. بطور مثال کفش شرکت Nike که در آن از فناوری برداشت‏کننده‏های انرژی استفاده شده است.

جوراب پیزوالکتریک متشکل از نانوالیاف PVDF پیزوالکتریک جهت برداشت انرژی از راه رفتن، به صورت آزمایشگاهی توسط شرکت Teijin ژاپن ارائه شده است[30].

همچنین تیمی متشکل از محققین بین المللی در دانشگاه Nanyung Technical سنگاپور  موفق به تولید ابرخازن­های منعطف لیفی متشکل از الیاف نانولوله کربن و گرافن شدند که به دلیل قابلیت انعطاف امکان استفاده از آنها در منسوجات بافته شده وجود دارد. این ابرخازن­ها از قابلیت شارژ و تخلیه بیش از 10000 چرخه برخوردار می­باشند. در تولید این محصول از روش گرمایش و اتصال ورقه­های میکرومتری گرافن و نانولوله­های کربن برای تولید فیلامنت استفاده می شود[31].

 

• پژوهش در ایران

از جمله تحقیقات صورت گرفته در کشور، ساخت و بهینه‏سازی سلول­های خورشیدی حساس شده با رنگینه در دانشکده علوم پایه دانشگاه تربیت مدرس می­باشد. در این پژوهش فوتوآندهای کامپوزیتی متشکل از نانوسیم‏ها و نانوالیاف از جنس ZnO و نانوذرات TiO₂ مورد استفاده قرار گرفت.

در مطالعه دیگری در دانشگاه امیرکبیر، نانوالیاف دی­اکسید تیتانیوم با هدف استفاده در سلول‏های خورشیدی منعطف و پربازده تولید شد.  هرچند پژوهش­های صورت گرفته در تولید صفحات خورشیدی پربازده بر نانو الیافمعطوف بوده است، لیکن در ادامه سازه­های دیگری چون نانو نخ­ها مورد تحقیق قرار خواهد گرفت.

در یکی دیگر از تحقیقات صورت گرفته در دانشگاه امیرکبیر کامپوزیت نانو لیفی بر پایه نانولوله‏های کربن براي ذخيره‏سازي هيدروژن در شرايط عملي مورد استفاده در پيل‏هاي سوختي پليمري تولید شد. در این طرح که برای نخستین بار در جهان انجام شد، امکان ذخیره‌سازی هیدروژن در جاذب‌های فیزیکی چون نانولوله­های کربن به اثبات رسید.

در زمینه سلول­های سوختی پروژه­ای تحت عنوان «بررسی‌های فنی اقتصادی تهیه هیدروژن خورشیدی و تکنولوژی­های وابسته» از سال 1372 با همکاری دفتر انرژی‏های نو معاونت امور انرژي وزارت نیرو و به منظور بومی‏سازی دانش ذخیره‏سازی هیدروژن و تولید سلول­های سوختی آغاز شده است. امروزه اقدامات صورت گرفته تحت حمايت کميته راهبردي پيل سوختي و حمایت از پایان‌نامه‌ها و مقالات مربوطه، منجر به رشد بیش از 7/4 برابری تعداد مراکز علمی، صنعتی فعال و رشد بیش از 2/9 برابری تعداد نیروی انسانی متخصص دانشگاهی در این حوزه شده‏است. از سوی دیگر تعداد دانشگاه‌های فعال به 26 دانشگاه و مراکز فعال و شرکت‌های دانش‏بنیان به 12 مرکز رسیده است.

 

نتیجه­ گیری

با وجود قابلیت­های فراوان سازه­های نانولیفی در بهبود عملکرد تجهیزات در حوزه انرژی و پژوهش­های فراوان انجام شده در این حوزه، به نظر می­رسد که در آینده نزدیک استفاده از سازه­های منعطف نانولیفی با رشد چشم­گیری در جهان روبرو شود و استفاده از این زمینه جهت تامین و تبدیل انرژی برای نسل­های بعد و رهایی از بحران انرژی الزامی به نظر می­رسد.

 

1. Application of nanotechnologies in the energy sector, Hessian Ministry of Economy, Transport, Urban and Regional development, hessen-nanotech.de
2. Dong ZL, Jiang CC, Cheng HH, Zhao Y, Shi GQ, Jiang L, Qu LT (2012) Facile fabrication of light, flexible and multifunctional graphene fibers. Adv Mater 24(14):1856–1861
3. Zweibel, “Should solar photovoltaics be deployed sooner because of long operating life at low, predictable cost?” Energy Policy, vol. 38, no. 11, pp. 7519–7530, 2010
4. Tao, J. P. Meyers, S. R.Narayan, and T. I. Valdez, “Inorganic photovoltaic solar cells: silicon and beyond,” The ElectrochemicalSociety Interface, no. 4, pp. 30–35, 2008
5. Brabec, “Organic photovoltaics: technology and market,”Solar Energy Materials and Solar Cells, no. 2-3, pp. 273–292,2004
6. Shinobu Nagata, et al; Electrospun Polymer-Fiber Solar Cell, Hindawi Publishing Corporation Advances in Materials Science and Engineering , 2013
7. Thavasi, et al, Electrospun nanofibers in energy and environmental applications, Energy & Environmental Science, 2008, 1, 205–221
8. Lin HJ, Weng W, Ren J, Qiu LB, Zhang ZT, Chen PN, Chen XL, Deng J, Wang YG, Peng HS (2014) Twisted aligned carbon nanotube/silicon composite fiber anode for flexible wire-shaped lithium-Ion battery. Adv Mater 26(8):1217–1222
9. Ren J, Zhang Y, Bai WY, Chen XL, Zhang ZT, Fang X, Weng W, Wang YG, Peng HS (2014) Elastic and wearable wire-shaped lithium-Ion battery with high electrochemical performance.Angew Chem Int Ed 53(30):7864–7869
10. Yan J, Wang Q, Wei T, Fan Z (2014) Recent advances in design and fabrication of electrochemical supercapacitors with high energy densities. Adv Energy Mater 4(4):5166–5180
11. Dalton AB, Collins S, Munoz E, Razal JM, Ebron VH, Ferraris JP, Coleman JN, Kim BG,Baughman RH (2003) Super-tough carbon-nanotube fibres. Nature 423(6941):703–703
12. Hu L, Chen W, Xie X, Liu N, Yang Y, Wu H, Yao Y, Pasta M, Alshareef HN, Cui Y (2011)Symmetrical MnO2-carbon nanotube-textile nanostructures for wearable pseudocapacitors with high mass loading. ACS Nano 5(11):8904–8913
13. Bae J, Song MK, Park YJ, Kim JM, Liu M, Wang ZL (2011) Fiber supercapacitors made of nanowire-fiber hybrid structures for wearable/flexible energy storage. Angew Chem Int Ed 50(7):1683–1687
14. Chen X, Lin H, Chen P, Guan G, Deng J, Peng H (2014) Smart, stretchable supercapacitors. Adv Mater 26(26):4444–4449
15. Chen X, Qiu L, Ren J, Guan G, Lin H, Zhang Z, Chen P, Wang Y, Peng H (2013) Novel electric double-layer capacitor with a coaxial fiber structure. Adv Mater 25(44):6436–6441
16. C. Dillon, M.J. Heben, Hydrogen storage using carbon adsorbents: past, present and future, Appl. Phys. A 72, 133–142 (2001)
17. Jiyoung Chang, Michael Dommer, Chieh Chang, Liwei Lin, Piezoelectric nanofibers for energy scavenging applications, Nano Energy(2012) 1, 356–371
18. Ren J, Zhang Y, Bai W, Chen X, Zhang Z, Fang X, Weng W, Wang Y, Peng H (2014) Elastic and wearable wire‐shaped lithium‐ion battery with high electrochemical performance. Angew Chem Int Ed 53(30):7864–7869
19. Zhang Z, Yang Z, Wu Z, Guan G, Pan S, Zhang Y, Li H, Deng J, Sun B, Peng H (2014) Weaving efficient polymer solar cell wires into flexible power textiles. Adv Energy Mater. doi:10.1002/aenm.201301750
20. Sun H, You X, Deng J, Chen X, Yang Z, Chen P, Fang X, Peng H (2014) A twisted wireshaped dual‐function energy device for photoelectric conversion and electrochemical storage. Angew Chem Int Ed 53(26):6664–6668
21. Chen X, Lin H, Deng J, Zhang Y, Sun X, Chen P, Fang X, Zhang Z, Guan G, Peng H (2014) Electrochromic fiber-shaped supercapacitors. Adv Mater. doi:10.1002/adma.201403243
22. Pan S, Yang Z, Chen P, Deng J, Li H, Peng H (2014) Wearable solar cells by stacking textile electrodes. Angew Chem Int Ed 53(24):6110–6114
23. Pan S, Lin H, Deng J, Chen P, Chen X, Yang Z, Peng H (2014) Novel wearable energy devices based on aligned carbon nanotube fiber textiles. Adv Energy Mater. doi:10.1002/aenm. 201401438
24. Ren J, Li L, Chen C, Chen XL, Cai ZB, Qiu LB, Wang YG, Zhu XR, Peng HS (2013) Twisting carbon nanotube fibers for both wire-shaped micro-supercapacitor and micro-battery. Adv Mater 25(8):1155–1159.
25. http://www.fuelcells.org/top_200.cgim?id=31
26. http://www.ezelleron.eu/en/
27. http://www.dupont.com/products-and-services/membranes-films/products/energain/press-eleases/energain-separators-lithium.html
28. http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevApplied.3.014009
29. http://www.azom.com/news.aspx?newsID=31630
30. http://www.gizmag.com/flexible-supercapacitor-improves-volumetric-energy-density/32028/

 

نانونساجی

 =====================================================================================================================

 

 

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

 

 

 =====================================================================================================================