Muelles de nanotubos de carbono

Los resortes de nanotubos de carbono son resortes hechos de nanotubos de carbono (CNT). Son una forma alternativa de almacenamiento de energía reversible, liviana y de alta densidad basada en las deformaciones elásticas de los CNT. Muchos estudios previos sobre las propiedades mecánicas de los CNT han revelado que poseen alta rigidez, resistencia y flexibilidad. El módulo de Young de los CNT es 1 TPa y tienen la capacidad de soportar tensiones de tracción reversibles del 6% ^[1] y es probable que los resortes mecánicos basados ​​en estas estructuras superen las capacidades actuales de almacenamiento de energía de los resortes de acero existentes y brinden una alternativa viable a las baterías electroquímicas. Se predice que la densidad de energía obtenible será más alta bajo carga de tracción, con una densidad de energía en los propios resortes aproximadamente 2500 veces mayor que la densidad de energía que se puede alcanzar en resortes de acero, y 10 veces mayor que la densidad de energía de las baterías de iones de litio .

El proceso de almacenamiento de energía elástica en un nanotubos de carbono implica su deformación bajo la aplicación de una carga. Al retirar la carga aplicada, la energía liberada del nanotubos de carbono se puede utilizar para realizar trabajo mecánico. Un nanotubos de carbono tiene la capacidad de deformarse de manera reversible y un resorte fabricado con él puede soportar ciclos repetidos de carga y descarga sin fatigarse.

Un resorte de nanotubos de carbono puede almacenar energía de deformación elástica con una densidad varios órdenes de magnitud mayor que la de los resortes convencionales hechos de acero. La densidad de energía de deformación de un material es proporcional al producto de su módulo de Young por el cuadrado de la deformación aplicada.

Cuando se cargan nanotubos de pared múltiple (MWCNT), la mayor parte de la carga aplicada recae sobre la capa exterior. Debido a esta transferencia de carga limitada entre las diferentes capas de MWCNT, los nanotubos de pared simple (SWCNT) son materiales estructurales más útiles para resortes.

Almacenamiento de energía en manantiales de CNT

Los resortes para el almacenamiento de energía pueden estar hechos de nanotubos de carbono de superficie (SWCNT) o nanotubos de carbono de superficie (MWCNT) dispuestos en haces densos de tubos largos y alineados llamados "bosques" de nanotubos de carbono ^[2] que se cultivan mediante deposición química en fase de vapor (CVD). Los "bosques" pueden crecer hasta alturas de hasta 6 milímetros ^[3] . Un nanotubos de carbono deformado requiere una estructura de soporte para soportar la carga del resorte antes de la descarga. Un resorte mecánico debe estar acoplado a mecanismos externos para construir una fuente de energía que sea funcionalmente útil. Por sí solo, un resorte almacena energía potencial cuando se le aplica una fuerza externa, pero libera la energía en una única ráfaga rápida una vez que se retira la fuerza. Una fuente de energía eficaz necesita almacenar energía durante un período de tiempo, liberar la energía solo cuando sea necesario y descargar la energía a un nivel de potencia deseado. Una fuente de energía portátil basada en nanotubos de carbono debe tener una arquitectura básica formada por cuatro componentes principales, a saber, un resorte de nanotubos de carbono, una estructura de soporte para el resorte, una combinación de generador y motor y un mecanismo de acoplamiento entre el resorte y el generador.

En el caso de los nanotubos de carbono dispuestos en grupos o haces denominados "bosques", como se describió anteriormente, es necesario un empaquetamiento eficiente y una buena alineación entre los tubos para lograr una alta densidad de energía. Se requieren buenas técnicas de transferencia de carga y de fijación efectivas para que las carcasas puedan cargarse hasta cerca de su límite elástico.

Elección del modo de deformación adecuado, que puede ser tensión axial, compresión axial, torsión o flexión, o una combinación de cualquiera de ellos. Un criterio para elegir un modo de deformación no es solo la mayor densidad de energía, sino también la integración adecuada del resorte deformado con el resto del mecanismo de disipación de potencia.

Se requiere una estructura de soporte para mantener el resorte de CNT en la configuración de carga completa antes de su liberación. El diseño de la estructura de soporte dependerá de la escala del resorte, el modo de deformación al que se somete el CNT y la arquitectura del resto del sistema. El material seleccionado para la estructura debe tener alta resistencia, porque la masa y el volumen adicionales del soporte contribuyen a reducir la densidad de energía de todo el sistema.

Cálculos de almacenamiento de energía

Tensión axial

Se realiza un análisis de CNT sometidos a cargas de tracción. Se considera una estructura cilíndrica hueca de CNT de longitud L, diámetro d y radio medio r. El tubo tiene un espesor nh, donde n es el número de capas del CNT y h=0,34 nm es el espesor de una capa. El módulo de Young del material del CNT es E. En el caso de los SWCNT, n=1 y n>1 en el caso de los MWCNT. El cilindro tiene radios interior y exterior de

${\displaystyle r_{i}=r-{\frac {nh}{2}}}$

y

${\displaystyle r_{o}=r+{\frac {nh}{2}}}$.

El área de la sección transversal de la carcasa es

${\displaystyle A=\pi (r_{o}^{2}-r_{i}^{2})}$

y el área total encerrada es

${\displaystyle A_{t}=\pi r_{o}^{2}}$.

La energía de deformación que se puede almacenar en la barra bajo compresión axial a una deformación de es ${\displaystyle \epsilon \,}$

${\displaystyle U={\frac {1}{2}}\iiint (\sigma _{x}\,\epsilon _{x}\,}$) = ${\displaystyle \,dx\,dy\,dz={\frac {1}{2}}E\epsilon ^{2}\ AL}$ ${\displaystyle {\frac {1}{2}}E\epsilon ^{2}\pi (r_{o}^{2}-r_{i}^{2})L}$

La densidad de energía de deformación es simplemente la relación entre la energía de deformación y el volumen encerrado. Por lo tanto, para que la densidad de energía de deformación sea alta, el valor de debe ser grande. Por lo tanto, un resorte en tensión axial debe constar de SWCNT con diámetros pequeños o MWCNT cargados uniformemente con carcasas densamente empaquetadas para maximizar . ${\displaystyle A/A_{t}}$ ${\displaystyle A/A_{t}}$

Los nanotubos de carbono se organizan en grupos, generalmente haces. La densidad de energía de deformación debe reducirse mediante un factor de relleno k para tener en cuenta el espaciamiento entre los nanotubos de carbono individuales.

Considere la sección transversal de un haz de nanotubos de carbono de superficie de radio r, muy compactados y dispuestos en una red triangular bidimensional con una constante de red de 2r+h. Se supone que el empaquetamiento es ideal con un espaciamiento de h=0,34 nm, que se toma igual al espaciamiento grafítico. Cuando los nanotubos de carbono están dispuestos en un haz, la mejor fracción de empaquetamiento se produce cuando están empaquetados en una estructura hexagonal cerrada.

Consideremos una sección transversal de un paquete. Se observará una forma hexagonal. La forma hexagonal con un área de se toma como la unidad geométrica repetitiva en el paquete. Se pueden realizar cálculos para demostrar que el factor de llenado k = 91%. En realidad, puede que no haya un empaquetamiento ideal dentro de un paquete, ya que la fracción real k puede ser menor que el valor calculado. ${\displaystyle A_{h}}$

La expresión de la energía de deformación muestra que es ventajoso aplicar una alta deformación de tracción a los resortes para maximizar el almacenamiento de energía, ya que la energía de deformación es proporcional al cuadrado de la deformación.

Compresión axial

El análisis se realiza en nanotubos de carbono sujetos a cargas de compresión. Se supone que el nanotubos de carbono es una viga cilíndrica hueca de longitud L, módulo de Young E y espesor nh, donde n es el número de capas y h = 0,34 nm es el espesor de una capa (considerado igual a la separación entre láminas de grafeno en el grafito ). El tubo continuo tiene un radio medio r y un diámetro d. El cilindro tiene radios interior y exterior de

${\displaystyle r_{i}=r-{\frac {nh}{2}}}$

y

${\displaystyle r_{o}=r+{\frac {nh}{2}}}$.

El área de la sección transversal de la carcasa es

${\displaystyle A=\pi (r_{o}^{2}-r_{i}^{2})}$

y el área total encerrada es

${\displaystyle A_{t}=\pi r_{o}^{2}}$.

La energía de deformación que se puede almacenar en la barra bajo compresión axial a una deformación de es ${\displaystyle \epsilon \,}$

${\displaystyle U={\frac {1}{2}}\iiint (\sigma _{x}\,\epsilon _{x}\,}$) = ${\displaystyle \,dx\,dy\,dz={\frac {1}{2}}E\epsilon ^{2}\ AL}$ ${\displaystyle {\frac {1}{2}}E\epsilon ^{2}\pi (r_{o}^{2}-r_{i}^{2})L}$

La densidad de energía de deformación es simplemente la energía de deformación dividida por el volumen encerrado. Se logran altas densidades de energía con una alta relación. Por lo tanto, para que los resortes de CNT logren una alta densidad de energía, se deben utilizar SWCNT con diámetros pequeños o MWCNT con carcasas densamente compactadas. ${\displaystyle A/A_{t}}$

Estructura de soporte

El propósito de utilizar una estructura de soporte es poder almacenar energía antes de liberarla para su uso. La estructura de soporte debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar la carga aplicada (utilizada para comprimir los nanotubos de carbono) sin llegar a fallar. Otro punto a tener en cuenta es que la densidad de energía del resorte y la estructura de soporte combinados siempre es menor que la densidad de energía del resorte solo.

Comparación de densidad energética

Se predice que un resorte de CNT hecho de haces de SWCNT densamente empaquetados de 1 nm de diámetro estirados a una tensión del 10 % tendrá una densidad de energía de 3,4 × 10⁶ kJ/m ³ . La densidad de energía de los resortes de CNT cargados en tensión es mayor que la densidad de energía de los resortes de CNT cargados en compresión. ^[4] Mientras que se informa que la densidad de energía máxima actual de un resorte de reloj de acero al carbono está entre 1080 kJ/m ^{3 [5]} y 3000 kJ/m ³ . ^[6] Los cálculos muestran que cuando se utiliza una estructura de soporte hecha de carburo de silicio monocristalino, la densidad de energía de los resortes de CNT se reduce a 1 × 10⁶ kJ/m ³ . Incluso después de considerar una estructura de soporte y otro hardware de extracción de energía asociado con un dispositivo de recolección de energía de resorte de CNT, su densidad de energía es mucho mayor que la de los resortes mecánicos y está aproximadamente en el mismo rango que la de las baterías de iones de litio. La densidad de energía es mucho menor que la densidad de energía de cualquier hidrocarburo utilizado en procesos de combustión.

Procesos de falla que limitan el almacenamiento de energía

Se necesita una gran cantidad de CNT para almacenar una cantidad significativa de energía que se pueda utilizar en procesos macroscópicos. Para lograr una cantidad tan grande de almacenamiento de energía, los resortes de CNT deben mantener una alta rigidez y elasticidad. En la práctica, es bastante difícil tener una rigidez y unas deformaciones elásticas tan altas en hilos o fibras formados por conjuntos de CNT, ya que rara vez mantienen las propiedades mecánicas de un SWCNT individual. Este comportamiento se produce debido a defectos atómicos y a una organización imperfecta.

La carga elástica es el mecanismo de carga preferido para el almacenamiento de energía reversible, se han realizado experimentos que indican que la carga dentro de las fibras se desvía del comportamiento puramente elástico.

Solo una parte de los nanotubos de carbono contribuye a soportar la carga en una determinada tensión. La cantidad desigual de holgura dentro de cada nanotubos de carbono debido a la presencia de defectos atómicos y enredos hace que los distintos nanotubos de carbono se fracturen en distintas tensiones.

Cuando los nanotubos de carbono de pared múltiple se someten a una carga de tensión, es difícil sujetar sus capas internas. Las pruebas de tensión de los nanotubos de carbono de pared múltiple acoplados a las puntas de un microscopio de fuerza atómica (AFM) en ambos extremos muestran que la fractura se produce en la capa externa de tal manera que la mayor parte de la carga se produce en la capa externa y se produce poca transferencia de carga a las capas internas. Esto hace que la rigidez y la resistencia de los nanotubos de carbono de pared múltiple sean menores de lo que serían si las capas se cargaran por igual.

Referencias

1. Walters, DA; Ericson, LM; Casavant, MJ; Liu, J.; Colbert, DT; Smith, KA; Smalley, RE (1992). "Deformación elástica de cuerdas de nanotubos de carbono de pared simple libremente suspendidas" (PDF) . Applied Physics Letters . 74 (25): 3803–3805. Bibcode :1999ApPhL..74.3803W. doi :10.1063/1.124185.
2. Hill, FA; Havel, TF; Hart, AJ; Livermore, C (2010). "Almacenamiento de energía elástica en nanotubos de carbono" (PDF) . Revista de micromecánica y microingeniería . 20 (9): 104012–104019. Código Bibliográfico :2009JMiMi..19i4015H. doi :10.1088/0960-1317/19/9/094015. S2CID  17887496.^{[ enlace muerto permanente ]}
3. Hill, FA; Havel, TF; Hart, AJ; Livermore, C (2009). "Caracterización de los procesos de falla que limitan el almacenamiento de energía en resortes de nanotubos de carbono bajo tensión" (PDF) . Revista de micromecánica y microingeniería . 19 (10): 94015–94020. Bibcode :2010JMiMi..20j4012H. doi :10.1088/0960-1317/20/10/104012. S2CID  16361391.^{[ enlace muerto permanente ]}
4. Hill, FA Almacenamiento de energía en superresortes de nanotubos de carbono, tesis del MIT (2008)
5. Madou, M. (2002). Fundamentos de la microfabricación . CRC Press . ISBN 0-8493-0826-7.
6. Especificaciones anunciadas del reloj de 31 días de A. Lange & Soehne ^{[ enlace muerto permanente ]} . alangesoehne.com

Enlaces externos

• http://memagazine.asme.org/Articles/2010/march/Carbon_SuperSpring.cfm