Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

WYKŁAD VI A.Odwracalne i nieodwracalne ogniwa elektryczne (baterie, akumulatory). Magazynowanie dużych gęstości energii. B. Materiały magazynujące ładunek.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "WYKŁAD VI A.Odwracalne i nieodwracalne ogniwa elektryczne (baterie, akumulatory). Magazynowanie dużych gęstości energii. B. Materiały magazynujące ładunek."— Zapis prezentacji:

1 WYKŁAD VI A.Odwracalne i nieodwracalne ogniwa elektryczne (baterie, akumulatory). Magazynowanie dużych gęstości energii. B. Materiały magazynujące ładunek elektryczny. Magazynowanie dużych gęstości ładunków. Superkondensatory i ferroelektryki. Membrany i superprzewodniki jonów. C. Rodzaje elektrycznych właściwości materii: izolatory, półprzewodniki, metale, półmetale, nadprzewodniki. D. Nadprzewodnictwo nisko– i wysokotemperaturowe. Oporność materii dla stałego i zmiennego prądu. Procesory komputerów przyszłości. Magazynowanie energii w postaci pola magnetycznego.

2 Schemat budowy ogniwa elektrycznego SEM vel U /V +– KATODAANODA MOSTEK -Wartość U /V/ -Wartość P /W/ -Pojemność /Ah/ -Gęstość energii -Odwracalność -Czas życia -Cena -Toksyczność

3 Ogniwa nieodwracalne koniec XVIII w. – Luigi Galvani, Alessandro Volta, pierwsze doświadczenia nad elektrycznością zwierzęcą i ludzką 1800 –Volta, stos elektrod: Ag|wilgotny karton nasączony solanką|Zn 1800 – Humphrey Bartholomew Davy, H 2 SO 4 zamiast solanki 1802 – Johann Wilhelm Ritter, suche ogniwo galwaniczne (ogniwo Volty wysychało!), następcza elektroliza wody – Michael Faraday, prawa elektrolizy 1835 – John Daniell, klasyczne ogniwo Cu|CuSO 4 ||ZnSO 4 |Zn 1841 – Robert Wilhelm Bunsen, Zn|ZnSO 4,HNO 3 |C 1872 – Josiah Latimer Clark, Zn(Hg)|ZnSO 4 |HgSO 4, Hg 1877 – Leclanche, modyfikacje Feryego, ogniwo C|MnO 2, NH 4 Cl|Zn 1893 – E. Weston, Cd(Hg)|CdSO 4 |HgSO 4, Hg 1912 – Gilbert Newton Lewis, ogniwo litowe: Li|S (c) |CuS; kWh na 1 kg ogniwa 1967 – Ford Motor Co. ogniwo Na(c) (100 o C)|S (c) (120 o C), (Na 2 O x 11Al 2 O 3 ) Dzisiaj – Li|SOCl 2 |C, 3.6 V, 1.86 kWh/kg, 25 lat życia (rozruszniki serca), XXI w. – ???

4 Ogniwa odwracalne 1988 – Akumulator wanadowy, V(V)+V(II) V(III)+V (IV) Australia (patent USA) 1859 – Gaston Planté, akumulator ołowiowy Pb|H 2 SO 4 |PbO – Waldemar Junger, akumulator Ni/Cd: Ni, NiO(OH)|NaOH|Cd(OH) 2, Cd 1904 – Thomas Alva Edison, akumulator Fe/Ni: Fe|KOH|Ni(OH) – Akumulator Ni/MH, komercjalizacja Sanyo Electric, LaNi – Akumulator Lit/jon, komercjalizacja Sony, interkalacja Li w tlenki metali przejściowych 1997 – Akumulator organiczny (polifenylotiofen) 1999 – Akumulator Li/polimer, komercjalizacja Valence Technology XXI w. – ???

5 Kondensatory. d S C = (S ) / d En/V = ½ |E| 2 |E max | = V max /d (wywołuje przebicie) Materiały magazynujące ładunek elektryczny. E Parametry: C i C/V E max En/V i przecieku rozł i C używ życia T pracy [1] E max [kV/cm] Powietrze132 Polistyren Polietylen Pleksiglas Laminowany Polietyleno-Tereftalan Mika Szkło Porcelana7300 Tytaniany

6 Magazynowanie dużych ładunków i dużych gęstości obj. ład. Superkondensatory (> 1F). - Magazynują do 2000 x więcej dużych gęstości obj. ładunków niż tradycyjne aluminiowe kondensatory elektrolityczne. - Supercapacitors są zdolne do szybkiego ładowania i rozładowania, i znoszą wiele takich cykli bez szkody dla pojemności. - Służą w wojsku do rozruchu silników, a nawet jako backup do zasilania rakiet - Służą jako UPS, oraz dla telefonów komórkowych

7 1 A 10 A 100 A 1 mA 10 mA 100 mA 1 A 1 s10 s100 s1 h 10 h100 h1 mies. Niska oporność układu (iskra, motory, zawory elektromagnetyczne feedback) Średnia oporność układu (wszystkie mikroprocesory) Wysoka oporność układu (backup dla zegara, SRAM i DTS )

8 Superprzewodniki jonów /superionic conductors lub solid (niegdyś vitreous) electrolytes/. Badania: (i) nowe związki, (ii) aspekt temperaturowy, (iii) złącza dwóch superprzewodników jonowych, (iv) max. exp. jon 30 S/m, max. teor. jon 10 4 Zastosowania: (i) materiały elektrodowe (baterie, sensory, wyświetlacze), (ii) membrany (ogniwa paliwowe), (iii) synteza ultraczystych metali alkalicznych +– e–e– h+h+ An – Kat + superprzewodnik anionowy superprzewodnik kationowy przewodnik mieszany Kat + h+h+ przewodnik elektronowo–dziurowy Superprzewodnictwo : gdy jon (25 o C) > 10 –3 S/m

9 H + : KHSO 4, Cs 2 (HSO 4 )(H 2 PO 4 ), HPb 2 Nb 3 O 10 F – : PbF 2, CsPbF 3, TlF, AgF, PbSnF 4 and KBiF 4, CaF 2 :Y O 2– : M 4+ O 2 oraz perowskity A 2+ M 4+ O 3, M = Ti, Zr, Ce, Ba 2 In 2 O 5, La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.8 O 2.85, domieszkowany Bi 4 V 2 O 11 and SrFeCo 0.5 O x, BaBi 3 O 5.5, Bi 2 WO 6 Li + : Li 3 N, Li 3 M 2 (PO 4 ) 3 (M=Sc, Fe), Li x CoO 2 (elektronowo–jonowy) Na + : Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12, Na 5 YSi 4 O 12, NaTi 2 Al 5 O 12 K + : KTiOPO 4 :Nb NH 4 + :NH 4 TaWO 6 Mg 2+ : Mg 3 Bi 2 Ag + : AgX (X = Cl, Br, I), Ag 4 RbI 5 KTiOPO 4 :Nb = K 1–x Ti 1–x Nb x OPO 4, brakujące (K + ) CaF 2 :Y = (CaF 2 ) 1–x (YF 3 ) x, nadmiarowe F – intrinsic anion lattice soft disorder & intrinsic defects

10 Nadprzewodnictwo /superconductivity/ Nadprzewodnik – pierwiastek lub związek chemiczny który przewodzi prąd stały (DC) bez żadnych strat (oporność jest zerowa lub tak mała, ze niemierzalna) poniżej pewnej temperatury zwanej temperaturą krytyczną (T C ); oporność dla prądu zmiennego jest bardzo mała, lecz mierzalna, i zwiększa się ze wzrostem częstości prądu AC

11 Efekt Meissnera–Ochsenfelda – wypychanie zewnętrznego pola magnetycznego poza objętość nadprzewodnika (nazwywana często idealnym diamagnetyzmem), z powodu istnienia powierzchniowych prądów nadprzewodzacych; to może prowadzić do lewitacji nadprzewodnika nad magnesem B ext B SC i surf

12 1911 Holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes z Leiden odkrywa nadprzewodnictwo w 4 K (NN 1913) 1933Walter Meissner i Robert Ochsenfeld odkrywają efekt idealnego diamagnetyzmu (efekt M-O) 1941NbN nadprzewodzi w 16 K 1957John Bardeen, Leon Cooper, i John Schrieffer formułują teorię BCS (NN 1972) Zwięzła Historia Nadprzewodnictwa 1962Brian D. Josephson, student z Uniw. Cambridge, przewidział efekt prądów tunelowych (efekt Josephsona) (NN 1973) 1964 Bill Little z Uniw. Stanford zasugerował istnienie organicznych nadprzewodników 1973 Art Sleight z f-my DuPont odkrywa Ba(Pb,Bi)O 3 (T C = 13 K) 1980Klaus Bechgaard z Uniw. w Kopenhadze zsyntezował nadprzewodzący (TMTSF) 2 PF 6, potwierdzając przewidywania Littlea

13 1986Alex Müller i Georg Bednorz (IBM, Szwajcaria) odkryli ceramiczny tlenek Cu z T C = 30 K (NN 1987) 1987Zespół z Uniw. Alabama-Huntsville odkrywa YBCO (92 K) 1989Odkrycie domieszkowanego elektronami (n-) a nie dziurami (p-) NCCO (10 K) 1991 Robert Haddon (Bell Labs) odkrył K 3 C 60 (18 K) 1991Smith et al. oraz Er et al. odkrywają dopowane elektronami związki infinite-layer Sr 1–x La x CuO 2 (40 K) oraz Sr 1–x La x CuO 2 (43 K) 1992 Azuma et al. odkrywają pierwszy dopowany dziurami i-l Ca 1–x Sr x CuO 2 (110 K) 1994C. W. Chu et al.: HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 166 K (–107 o C) (aktualny rekord pod wysokim ciśnieniem) 1994 Almamouri et al. odkrywa Sr2CuO2F2+x (46 K) (apical O) 1995Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 138 K (aktualny rekord pod normalnym ciśnieniem) MgB 2 nadprzewodzi w 39 K (J. Akimitsu et al.) 2002Li nadprzewodzi w 20 K w ciśnieniach GPa (V. Struzhkin et al.) 2002Afera Schöna: SCs ze wstrzykniętym ładunkiem i inne nano–odkrycia … 2011RT SC ? Nobel Prize ? temperature–enforced SC ? Non–crystalline materials ?

14

15

16 Dlaczego to jest ważne? Użycie nadprzewodników. Sny ludzkości i wizja futurystyczna. Transport dużych gęstości prądu: (i)Linie przesyłowe (straty energii od 30% do 50% przy użyciu standardowych kabli), silniki elektryczne, transformatory (ii)Czystsza planeta (iii)Roczne oszczędności $ 250 mld USA i $ 6 mld Polska Wytwarzanie silnych pól magentycznych (spektroskopia, medycyna, transport kolejowy) Magazynowanie energii (stabilizatory mocy) Ultraszybkie procesory (do 1000 GHz); pierwszy SC procesor nadprzewodzący 1 GHz 1988, klasyczny 2000 SQUID do detekcji ultramałych pól magnetycznych $$$ rez =(R 2 +L 2 C 2 ) –½ R=0

17

18 Rodziny nadprzewodników pierwiastki (Nb 9.25 K, Pb 7.2 K, … Rh K, C nanorurki 15 K) pierwiastki pod wysokim ciśnieniem GPa: 16–20 K, GPa: 17 K, GPa: 0.6 K, GPa: 11.2 K, Xe??? Solid H, T C > 200 K???) związki chemiczne pod ciśnieniem: GPa (2 K)

19 Nb 3 Ge HfNCl krzemki: (Na,Ba) x Si 46 (4 K), LaPt 2 Si 2 (10 K), V 3 Si (17.1 K) germanki: Y 3 Os 4 Ge 13 (4 K), Nb 3 Ge (23.2 K) azotki: VN (8.2 K), NbN (16 K), Li x (HfN)Cl (25.5 K) azotko-węgliki: NbN 0.7 C 0.3 (18 K) fosforki: GaP (4 K), MoRuP (15.5 K) fosforko-siarczki: NbPS (12 K) wodorki: Th 4 H 15 (8.2 K), PdH 0.6 (9 K), PdD 0.6 (9 K) borki: ZrB 12 (5.7 K), CeCo 4 B 4 (13 K), MgB 2 (39 K) borowęgliki: ErNi 2 B 2 C (10.5 K), YPd 2 B 2 C (23 K) węgliki: KC 8 (0.4 K), Th 2 C 3 (4.1 K), MgCNi 3 (8K), MoC (13 K), Y 0.7 Th 0.3 C 1.5 (18 K) fullerydki: Na 2 Rb 0.5 Cs 0.5 C 60 (8 K), Cs 3 C 60 (40 K) stopy metali (Nb 0.6 Ti 0.4 – pierwszy kabel), włączając rodzinę A15 (Nb 3 Ge 23.2 K, V 3 Si 17.1 K), pierwszy transuranowy SC, PuCoGa K, ciężki fermion UGe 2 1K, UPd 2 Al 2 2 K, CeRu 2 6 K, i rzadki ferromagnetyczny, AuIn K; Al 55 Mn 20 Si (25 K) MgB 2

20 siarczki: PbMo 6 S 8 (14.6 K), PbMoS 3 (15 K) selenki: Nb 2 Se 3 (2 K), Mo 3 Se 4 (5.8 K) tellurki: CuTe 2 (1.2 K), PdTe (4 K) fluorki: Ag 2 F (0.06 K, warstwy Ag są SC), Hg n AsF 6 (4 K, łańcuchy Hg czy metaliczna Hg?) chlorki, bromki: Y 2 C 2 X 2 (10 K) jodki: SmI 2 (2 K) tlenki: Sr 1–x TiO 3 (0.2 K), TiO (0.8 K), Sr 2 RuO 4 (1.35 K), M x WO 3 (do 5.4 K), Ba(Pb,Sb)O 3 (2.8 K), Ba (Pb,Bi)O 3 (13 K), (Ba,K)BiO 3 (26 K), Sr 2 YRu 0.85 Cu 0.15 O 6–x (30 K) i tlenki miedzi (oxocuprates): A.h + -doped La 1.85 Ba.15 CuO 4 36 K, Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O K, Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O K, Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O K, HgBa 2 CuO 4 +x K B.e – -doped (Nd,Ce) 2 CuO 4 10 K, (Nd,Sr,Ce) 2 CuO 4 35 K, C.infinite layer (Ba,Sr)CuO 2 90 K, Ca 1-x Sr x CuO K (h + ); Sr 0.9 La 0.1 CuO 2 43K (e – ) D.oxochlorki, oxofluorki (bez apical Os): (Sr,Ca) 3 Cu 2 O 4+delta Cl 2–y 80 K, (Ca,Na) 2 CuO 2 Cl 2 28 K, Sr 2 CuO 2 F 2+x 46 K organiczne: MeSeFulvalene (1.2 K), (BEDT-TTF)Cu[N(CN) 2 ]Br (12 K), poly-(SN) 0.33 K

21 3:1, HgBa 2 CuO 4 +x [CuO 2 ] 2:1, La 1.85 Ba.15 CuO :1, Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O :1, Ca 1–x Sr x CuO 2 1:1, (K,Ba)BiO 3 2:1, K 2 NiF 4 1:1, CaTiO 3

22 Intuicja Müllera – propagujące się zabrzenie (tzw. polaron Jahna–Tellera, h + ) La III 2 Cu II O 4 La III (2–x) Ba II x Cu II (1 – x) Cu III x O 4 W rzeczywistości…dziury wchodzą do pasma tlenowego i parują się w parę Coopera, ale… Dokonano cudownego odkrycia na bazie złego założenia!


Pobierz ppt "WYKŁAD VI A.Odwracalne i nieodwracalne ogniwa elektryczne (baterie, akumulatory). Magazynowanie dużych gęstości energii. B. Materiały magazynujące ładunek."

Podobne prezentacje


Reklamy Google