3 research outputs found
Вакуум как континуальная среда, формирующая энергетические неоднородности с высокой плотностью энергии в жидкой фазе
No full textA method for the formation of metal nanoparticles in a localized volume with a high energy density due to the flow of a pulsed electric discharge and the effect of cavitation has been studied. The mechanism of formation of energy inhomogeneities, which provides the generation of nanoparticles with high specific energy intensity, is considered. The formation of dynamic heterogeneity is carried out in three stages. There is a breakdown of the interelectrode space and the formation of a vacuum volume, which is filled with a vapor-gas medium. As a result of an increase in pressure in the bubble, a pulsed gas discharge is ignited, which leads to the generation of metal nanoparticles. As a result, there is a localized volume in which the energy in the discharge reaches a value of up to 106 K. The growth of energy in the bubble leads to its collapse and metal nanoparticles pass from a medium with high energy (106) into water at room temperature, which leads to their hardening. Particularly pure nanoparticles of various metals with a size of 5–15 nm are obtained, which can be grown on a single-crystal silicon surface at room temperature and positioned on the surface of porous materials and products of complex configuration.Изучен метод формирования наночастиц металлов в локализованном объеме с высокой плотностью энергии за счет протекания импульсного электрического разряда и эффекта кавитации. Рассмотрен механизм формирования энергетических неоднородностей, который обеспечивает генерацию наночастиц с высокой удельной энергоемкостью. Формирование динамической неоднородности осуществляется в три этапа. Происходит пробой межэлектродного пространства и формирование вакуумного объема, который заполняется парогазовой средой. В результате роста в пузырьке давления, зажигается импульсный газовый разряд, что приводит к генерации наночастиц метала. В результате возникает локализованный объем, в котором энергия в разряде достигает величины до 106 К. Рост энергии в пузырьке приводит к его схлопыванию и наночастицы металла переходят из среды с высокой энергией (106) в воду при комнатной температуре, что приводит к их закаливанию. Получаются особо чистые наночастицы различных металлов размером 5—15 нм, которые можно выращивать на монокристаллической поверхности кремния при комнатной температуре и позиционировать их на поверхность пористых материалов и изделий сложной конфигурации
Состояние и перспективы развития мобильных источников тока
No full textThe physicochemical foundations of the basic structures and technologies for the production of promising electrolytic cells for the accumulation of electrical energy with a specific energy intensity for reusable cells of 350–500 W ⋅ h/kg at the first stage and 1000 W ⋅ h/kg at the second stage have been developed. Along with traditional chemical current sources and ionistors, supercapacitive capacitor structures with a thin dielectric in a double electric layer and hybrid capacitors appear, in which energy is accumulated both in a double electric layer and due to electrochemical processes. This approach makes it possible to reduce the internal resistance of electrolytic cells, which leads to a decrease in heat generation during operation and, accordingly, an increase in specific energy consumption, operational safety, a decrease in charging time, and an increase in specific power. A promising anode is a nanostructured electrode material, which is a carbon-based matrix filled with a nanostructured reactive material. Promising materials for filling the carbon matrix are Li and its alloys, Si, Al, Na, Sn, Mg, Zn, Ni, Co, Ag, and a number of other materials and their compounds. The influence of the specific area of the carbon material, dielectric constant, addition of a chemically active substance on the specific energy consumption has been studied. The theoretical values of the specific energy capacity of hybrid capacitors with a metal-air system are calculated. A thin-film technological complex has been developed that ensures the creation of a new generation of electrode materials, the design of which is a carbon matrix with a highly developed surface, in which there is a tunnel-thin dielectric, on the surface of which a chemically active material is placed.Разработаны физико-химические основы базовых конструкций и технологий производства перспективных электролитических ячеек для накопления электрической энергии с удельной энергоемкостью для многоразовых ячеек — 350—500 Вт ⋅ ч/кг на первом этапе и 1000 Вт ⋅ ч/кг на втором. Наряду с традиционными химическими источниками тока и ионисторами появляются сверхъемкие конденсаторные структуры с тонким диэлектриком в двойном электрическом слое и гибридные конденсаторы, в которых энергия накапливается как в двойном электрическом слое, так и за счет протекания электрохимических процессов. Такой подход позволяет снизить внутреннее сопротивление электролитических ячеек, что приводит к уменьшению тепловыделения в процессе работы и, соответственно увеличению удельной энергоемкости, безопасности эксплуатации, снижению времени зарядки, а также обеспечению роста удельной мощности. Перспективным анодом является наноструктурированный электродный материал, который представляет собой матрицу на основе углерода, заполненную наноструктурированным химически активным материалом. Перспективными материалами для заполнения углеродной матрицы являются Li и его сплавы, Si, Al, Na, Sn, Mg, Zn, Ni, Co, Ag, а также ряд других материалов и их соединений. Исследовано влияние на удельную энергоемкость удельной площади углеродного материала, диэлектрической проницаемости, добавления химически активного вещества. Рассчитаны теоретические значения удельной энергоемкости гибридных конденсаторов с металл-воздушной системой. Разработан тонкопленочный технологический комплекс, обеспечивающий создание нового поколения электродных материалов, конструкция которых представляет собой углеродную матрицу с высокоразвитой поверхностью, в которой находится туннельнотонкий диэлектрик, на поверхности которого размещен химически активный материал
Новое поколение нанокомпозитных материалов на основе углерода и титана для использования в суперконденсаторных накопителях энергии
No full textIn this paper, promising nanocomposite materials based on carbon and titanium are considered. It is shown that the use of a highly porous matrix is of particular interest. Materials based on such matrices have minimal weight and high strength characteristics. The paper also describes composites based on porous carbon fibers with metal oxides. The directions for producing composites can be divided into three types: matrix method, coating of finished nanoparticles with an inert shell, and the formation of nanoparticles and matrices in one process. The coating of nanoparticles with an inert shell prevents their oxidation and preserves the necessary magnetic properties. When using methods such as IR pyrolysis, arc evaporation forms third-party metal-carbon phases that pollute the resulting material. To avoid this, reducing agents are used, for example, hydrogen when coking nanoparticles in a methane plasma current restores metal particles from its Sol-gel and prevents them from reacting with carbon. But with this method, it is difficult to control the particle size. Using a ready-made matrix allows you to control the size of nanoparticles. However, this method uses high temperatures, and sometimes hydrogen, which complicates the production process. The main problem in the field of nanocomposites is the search for more technological, simple, cheap and environmentally friendly methods for obtaining nanocomposites with high performance characteristics. The developed technology for forming the pore space of the initial carbon matrix does not have the above disadvantages. This technology has a simple, cheap, environmentally friendly design. high temperatures are not used in the process of producing nanocomposites and third-party metal-carbon phases are not formed. The resulting nanocomposite materials were used as electrodes for ultra-high-volume capacitor structures. When studying the capacitance and electrical characteristics of samples, it was found that the formation of metal on a porous carbon matrix can significantly reduce the internal resistance of the cell and increase the specific energy consumption.Рассмотрены перспективные нанокомпозитные материалы на основе углерода и титана. Показано, что особый интерес представляет использование высокопористой матрицы. Материалы на основе таких матриц имеют минимальные весовые и высокие прочностные характеристики. Также в работе охарактеризованы композиты на основе пористых углеродных волокон с оксидами металлов. Направления получения композитов условно можно разделить на три вида: матричный способ, покрытие готовых наночастиц инертной оболочкой, образование наночастиц и матриц в одном процессе. Покрытие наночастиц инертной оболочкой позволяет предотвратить их окисление и сохранить необходимые магнитные свойства. При использовании таких методов как ИК-пиролиз, дуговое испарение образуется сторонние метал-углеродные фазы, которые загрязняют получаемый материал. Чтобы этого избежать, используют восстановители, например водород при закоксовывании наночастиц в токе метановой плазмы восстанавливает частицы металла из его золь-геля и не дает им вступить в реакцию с углеродом. Но при таком способе трудно контролировать размер частиц. Использование же готовой матрицы позволяет контролировать размер наночастиц. Однако, в таком методе используются высокие температуры, а иногда и водород, что усложняет процесс получения. Основной проблемой в области нанокомпозитов является поиск более технологичных, простых, дешевых и экологичных методов получения нанокомпозитов с высокими эксплуатационными характеристиками. Разработанная технология формирования порового пространства исходной углеродной матрицы не имеет вышеперечисленных недостатков. Данная технология имеет простое, дешевое, экологически чистое оформление, в процессе получения нанокомпозитов не применяются высокие температуры и не образуются сторонние металл-углеродные фазы. Полученные нанокомпозитные материалы были использованы в качестве электродов сверхъемких конденсаторных структур. При исследовании емкостных и электрических характеристик образцов было выявлено, что формирование металла на пористой углеродной матрице позволяет существенно уменьшить внутреннее сопротивление ячейки и увеличить удельную энергоемкость
