普林斯頓大學公開課：能源和環境 儲能電池 網易公開課

[音樂] 非常好，好吧，我對此表示歉意， 非常感謝您讓我來到這裏，謝謝您的 介紹，我的名字 是克雷格·阿諾德，呃，我在 機械和航空航天工程系 ，也在普林克 科學與技術研究所工作。 技術材料， 今天我想告訴你們 一些關於我們在我的 團隊中所做的與能源存儲相關的事情， 特別是與我們如何 優化電化學能源 存儲設備（例如 電池或電容器等）相關的事情 我們要做的就是 通過了解納米 結構來嘗試應對其中一些挑戰，我們如何優化它們， 瞭解機械原理以及 它與電化學的關係， 並進行一些先進的激光 加工 輸入方法，看看 我們如何進一步優化這些系統， 首先是我的團隊以及 資助機構，特別是我要 感謝埃琳娜和克里斯蒂娜，我的兩個 學生，他們正在做我 現在在這裏談論的大部分工作 顯然， 能源存儲很重要，我不需要向 您提供完整的背景信息，嗯， 您可以想出各種原因，說明 爲什麼您關心汽車，iPhone， 風能，所有這些事情都對，如果是 風或太陽風，風不是 並不總是 颳風，或者陽光並不總是照耀， 嗯，我們進展順利，所以你需要 擔心如何加載 這些類型的系統，嗯，在其他 情況下，你可能會認爲需要 額外的能量，嗯，在這種情況下 iPhone、汽車或其他東西，你可能會 認爲是便攜式的， 最後也許最重要的是， 新穎的系統需要新穎的解決方案， 你知道我經常遇到的問題 是，你能只製造一塊 電池嗎？你能創造一些魔法嗎？ 系統將 解決我們所有的能源 需求，答案是，這並不那麼 簡單，因爲每個特定的 系統都有我們 必須滿足的特定要求，因此我們必須考慮 不同的事情，例如 電池是否應該靈活？ 需要長 壽命或輕量級或您關心的其他類型的 指標，因此 顯然能源存儲是 我們在 21 世紀面臨的關鍵挑戰之一， 而且您可能會 想到半導體或電子產品， 我們想到了一些東西 就像摩爾定律一樣， 計算機中的存儲容量每個月都會翻倍， 不幸的是，對於電池來說，電池不能 完全工作，在電池的情況下， 翻倍時間約爲 60 年，嗯，很 明顯，這裏出了什麼問題， 爲什麼會這樣 花了這麼長時間， 答案是化學成分 沒有太大變化，但我們 理解這些系統的方式以及我們將 這些系統應用於其他類型 設備的方式現在開始變得非常重要， 特別是在我的團隊中，我們專注 於三個 能源存儲、呃 電池、超級電容器的主要領域，以及 最近的一些工作，着眼於我們 如何集成系統並構建 更大的東西， 這裏列出了一些特定主題，但 我希望您從這些內容中領會關鍵的東西 我們團隊的不同領域是， 就電池而言，我們關心 使電池變小，我們關心 使電池持久耐用，以便您 可以進行多次循環， 我們關心高級 應用程序，再次考慮 諸如靈活平臺或 非常小的 微電池之類的東西，嗯， 在接下來的幾張 幻燈片中，我將討論其中的兩 件事，我將討論 機械和電化學 特性之間的關係，以及一些先進的 激光加工和 微電池的嵌入 就超級 電容器而言，你可以想到的 是我們嘗試控制 納米級結構的方式，我們嘗試優化 這些材料的尺寸，我們嘗試 達到非常高的功率，使這些 系統更快，我們再次尋找 新穎的 應用我們如何實現 小型超級電容器，也許是 柔性電容器之類的東西， 最後在集成系統上，我們會 研究諸如如何將 存儲與替代 能源集成的問題，以及如何將電池 與風車或風力渦輪機一起放置 您需要什麼類型的電池， 以及用於小型應用的混合類型系統， 在 超級電容器的情況下，我將非常 簡短地討論這兩個關於 優化架構的主題，以及 一些先進的呃激光處理， 所以 讓我們從電池開始吧， 在兩分鐘內快速瞭解電化學能量存儲， 嗯，關於電池存在一個真正 常見的誤解， 人們認爲它們失效是因爲 化學物質失效或電池 耗盡或類似的事情，但是當你 “ 談論的是可充電電池， 典型的故障模式實際上是 機械故障，嗯，您可以 想到爆炸的筆記本電腦電池， 不久前您知道 這顯然是機械故障，嗯， 但您知道您可能會想到 靈活的電池 彎曲的電池可能是 某種纖維， 但在固定電池中也是如此， 理解這一點的方法 是鋰電池中的離子 必須插入到主晶格中， 這意味着大離子必須將 自己擠壓進去 在 已經存在的原子平面之間， 例如，一旦離子與電子結合，可能就會有離子 進入， 整個東西現在只會增長 一點，這可能會給 系統帶來大約 7 的巨大應變 到 10%， 聽起來不是很多，但這 足以破壞大多數材料，因此 瞭解這些系統 中的力學之間的關係 以及它如何影響 電化學實際上至關重要，這最終可以 延長使用壽命，所以如果我們 可以 阻止系統發生 機械故障，我們可以讓這個系統 持續更長時間，所以 你可能會想到的實驗類型，你 可能會想到柔性電池，但正如 我所說的傳統電池以及 我們所做的事情是 我們可能會 擠壓這些東西，我們可能你知道， 稍微按一下它們，我們可能會 看到它們如何反應，理解你知道的一些 電化學和機械 相互作用，例如， 你可能會認爲你知道機械 術語，如疲勞、應力或應變， 但是 如果我們將其放入 電池術語中，我們實際上會關注 循環壽命，我們會關注 這些類型系統中的能量密度或功率密度，所以這是 一個主要領域的主題。 在這些系統上進行激光加工當 您開始將激光投入混合中時， 您可以開始對 系統中的材料進行各種新穎類型的更改， 嗯，我想談論的一件特別的事情 是激光直接 右嵌入方法，並且再次 這裏有很多細節，但 實際上您需要記住的是， 我們可以做的是我們可以使用激光來 修改我們想要放置 電池的表面，我們可以鑽一個孔或 我們可以打印的東西 直接將電池放入 那個孔中並將其蓋住，這樣您在 事後甚至看不到電池，嗯， 所以這是它的圖片，嗯， 這是我們最近的一項專利的主題， 嗯，您可以看到這是 一個小的 有一張電池的圖片，如果你從 側面看，你可能有一個 陽極陰極全部嵌入在 基板內，所以你甚至看不到 非常小的東西，嗯，這是其他一些 一般圖片，但一般來說，當你 開始投擲激光時 將方法打印 到電化學中，嗯，您可以 開始實際製作真正的系統，真正的 設備，這些設備具有大量的 能量密度以及單位面積的功率密度， 因此小規模 應用再次是 能量 存儲實現的新型類型，這就是 關於 電池的簡單介紹 關於超級電容器的快速知識 你們中的許多人可能不知道 什麼是超級電容器 呃基本上 您可以將超級電容器視爲 有點像電池，有點像 電容器好吧，它像電容器一樣非常快 可以非常 迅速地釋放能量，但它可以 像電池一樣存儲大量能量，基本上它的 工作方式是， 如果你放置大量 表面積，你就會有很多 PL 用於 這些化學物質 發生的反應嗯， 有各種不同類型的 味道細節細節嗯但 總的來說，你 在這些系統中真正努力的事情之一是 我如何設計一種具有 非常高活性表面積的材料，我可以以 某種方式 加工成 我感興趣的合適設備，嗯，所以 你知道超級電容器 比電池有很多優勢，嗯，你知道 這是 爲動物追蹤呃研討會準備的幻燈片，但 基本上他們有一個 C，他們可以 循環 很多次，它們具有非常高的 功率，它們非常擅長充電和 放電，但 與電池相比，它們的能量定義相對較低， 它們的擱架較短，所以 一般來說，考慮這些 系統的方法是考慮 像這樣的拉戈尼圖， 所以你可能會認爲燃料 電池的能量非常高，但 功率很低，電容器 處於中間位置，所以我們 對這些系統進行了各種遊戲， 試圖讓它們變得更好 在各種類型的應用中更有用， 例如， 我們所做的一件事就是 優化納米結構，如何爲 給定材料製造更多的表面積，例如，我們 可能會使用碳納米管 或其他 類型的納米結構材料， 我快沒時間了，對吧，我 早就沒時間了，哦，好吧，我可以 說得更快，不，我會的，我會離 你更近，他站着，他 開始時就已經到了 把我從 這裏拉下來，嗯，這樣我們就可以再次處理 這些納米結構，我們可以處理 與這些事情相關的各種呃類型的呃情況， 嗯，這是 我想留給你的最後一件事， 它確實是我的最後一件事 再次承諾，當您開始使用激光器時，您可以進一步 提高處理這些材料的能力， 您可以開始玩一些真正巧妙的 技巧，例如，我實際上可以 使用兩個激光器創建一個電容器，以 基本上以這樣的方式修改材料 最終的結果是我留下了一個 電容器，嗯，所以除了所有 這些之外，讓我把 這張幻燈片放在這裏作爲結束，告訴你 一些我們 所做的事情，感謝你聽我 在這裏胡言亂語， 我嗯，我會在附近， 如果有人有的話，我們可以稍後再聊