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革新的なアーキテクチャは、超容量性エネルギー貯蔵デバイスのスケールアップの基準を設定します

「規模の経済は重要です。それはエネルギーの経済を可能にします。自然は進化と適応を通じてそれを行いますが、人間の創意工夫は優雅さ、お好みで近道を通じてそれを行います」と、ルーマニアのブカレスト大学物理学部の 3Nano-SAE 研究室の責任者である Ioan Stamatin 教授は述べています。 「レーザー科学とナノテクノロジーの進歩によって可能になったエレガントなデザインは、あらゆる技術的表現において、エネルギー貯蔵のエスカレートする問題に対して興味深い解決策を提供できます。」

Space-Filling Supercapacitor Carpet (SFSC) アーキテクチャにより、マイクロエレクトロニクスで一般的なサイズ制限を超えて平面スーパーキャパシタを対称的にスケールアップできます。プレフラクタル設計に基づく複数のネストされた電極構成を導入します。これにより、スーパーキャパシタ デバイスをより大規模で要求の厳しいアプリケーションに組み込むことができます。博士課程およびポスドク プロジェクトとして開発された特許出願中のアーキテクチャは、著名な査読済み Journal of Power Sources の最新版に掲載されています。 .

スーパーキャパシタは、電極と電解質の界面である電気化学二重層にエネルギーを蓄える再充電可能なデバイスです。従来のコンデンサよりも大容量で、充放電速度はバッテリーよりも高くなります。それらは、エレクトロニクス、通信、および輸送における有望なアプリケーションと見なされており、バッテリーに関連する危険性を示さず、ほぼ無限のサイクル寿命とともに環境および操作上の安全性を提供します。提案されているアプリケーションには、無停電電源装置 (停電に対するバックアップ保護)、ロードレベラー (マイクロエレクトロニクスのバックアップ電源)、および電気自動車用の補助電源 (電力密度を犠牲にすることなくエネルギー密度を増幅できる場合) が含まれます。

プロジェクトの主任研究者であり、SFSC アーキテクチャの発明者である Thanos Tiliakos 博士は、次のように説明しています。空間充填曲線は、再帰的なアルゴリズム シーケンスによって構築され、連続する反復が空間充填限界をより厳密に近似します。空間充填曲線の全体の長さは、そのルート アルゴリズムを繰り返すたびに指数関数的に増加し、最高の反復でサーフェスを完全に埋めます。」

「フラクタル ジオメトリより 1 世紀も前の空間充填曲線は、フラクタル以前の数学的奇妙さです。マイクロエレクトロニクスでの使用は新しいアイデアではありません。エネルギー貯蔵では、1998 年に提案されました。通信エレクトロニクスでは、アンテナと共振器、移相器、マルチバンド反射器、フォトニック結晶に実装されました。最近の開発では、伸縮可能な電子機器における機械的利点も実証されました。アプリケーションの背後にある重要な概念は、最小限の犠牲で要件を満たす適切な形状を見つけることです。常に代償を払う必要があります。ただし、一般的に、オプションは、それらを適用するために必要な技術的スキルによって制限されます。」

SFSC は、市販の CO2 を使用したレーザー熱分解の LIG メソッドによってレーザー印刷されます。 ポリイミド前駆体を光熱分解して、高い導電率と二重層静電容量を持つ多孔質グラファイト構造 (グラフェンベースの発泡体) にするためのレーザー CNC。 2014 年にライス大学の James Tour チームによって開発された LIG メソッドは、ルーマニアのチームによって以前の研究でさらに調査され、空間充填曲線などの複雑なデザインの高解像度印刷に対応するように適応されました。これにより、過去のマイクロエレクトロニクスの適応と比較して比類のない利点を提供する特定のジオメトリの実装が可能になりました。バイナリ インターバル マッピングではなく、ターナリ マッピングに基づいて、このような曲線により、主電極に単一ではなく複数の相補電極を取り付けることができます。各電極の反復ごとに指数関数的に増加する長さとは別に、分布容量効果により、曲線の反復とネストされた電極の総数を適切に選択することにより、全体の静電容量と等価直列抵抗の両方を微調整できます。

アーキテクチャのその他の利点には、電極材料に対する比重静電容量値 (過去の LIG アプリケーションによって確立された範囲を超え、他のグラフェンベースのフレキシブルデバイスによって確立された範囲よりも高い) が含まれます。フレキシブル基板のすべての寸法にわたって柔軟性があり、エラストマー基板に転写すると伸縮性が追加されます。同型性による別の向きと構成。非再生耐久性により、独立した機能サブユニットに分割することにより、デバイスが構造的損傷を乗り切ることができます。

Tiliakos 博士 (現在は国立レーザー、プラズマ、放射線物理学研究所) は次のように結論付けています。現在のプロトタイプは 800 cm のフットプリントに達しており、SFSC アーキテクチャの他のアプリケーションも考慮して、関連する静電容量とエネルギー性能の向上を伴う 1 m のマイルストーンに向かって進んでいます。これは始まりに過ぎません。」

これらの調査結果は、Journal of Power Sources に最近掲載された記事 Space-Filling Supercapacitor Carpets:High Scalable Fractal Architecture for Energy Storage で説明されています。 この作業は、A. Tiliakos、A.M.I.ブカレスト大学のトレフィロフ、E. タナシー、A. バラン、I. スタマティン。

関連作品:

<オール>
  • A. Tiliakos、A.M.I.トレフィロフ、E. タナシー、A. バラン、I. スタマチン (2018)。空間充填スーパーキャパシタ カーペット:エネルギー貯蔵のための高度にスケーラブルなフラクタル アーキテクチャ。 電源ジャーナル 384 、145-155。 (https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0378775318301824)
  • A. Tiliakos、「エネルギー貯蔵デバイスのフォームファクター最適化」、Nano S&T-2017 – 7 Annual World Congress of Nano Science and Technology、2017 年 10 月 24 ~ 26 日、福岡、日本
  • A. Tiliakos、C. Ceaus、S.M. Iordache、E. Vasile、I. Stamatin (2016)。ポリイミドフィルムのレーザー熱分解によるナノカーボンの形態遷移。 Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 121 、275-286。 (https://doi.org/10.1016/j.jaap.2016.08.007)

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