1 / 22

WYK ŁAD VI

WYK ŁAD VI. 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.

flavio
Download Presentation

WYK ŁAD VI

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. WYKŁAD VI • 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. Wartość U /V/ • Wartość P /W/ • Pojemność /Ah/ • Gęstość energii • Odwracalność • Czas życia • Cena • Toksyczność SEM vel U /V + – KATODA ANODA MOSTEK Schemat budowy ogniwa elektrycznego

  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, H2SO4 zamiast solanki 1802 – Johann Wilhelm Ritter, suche ogniwo galwaniczne (ogniwo Volty wysychało!), następcza elektroliza wody 1833-34 – MichaelFaraday,prawa elektrolizy 1835 – John Daniell, klasyczne ogniwo Cu|CuSO4||ZnSO4|Zn 1841 – RobertWilhelm Bunsen, Zn|ZnSO4,HNO3|C 1872 – JosiahLatimer Clark, Zn(Hg)|ZnSO4|HgSO4, Hg 1877 – Leclanche, modyfikacje Fery’ego, ogniwo C|MnO2, NH4Cl|Zn 1893 – E. Weston, Cd(Hg)|CdSO4|HgSO4, Hg 1912 – GilbertNewton Lewis, ogniwo litowe: Li|S(c)|CuS; kWh na 1 kg ogniwa 1967 – Ford Motor Co. ogniwo Na(c) (100 oC)|S(c) (120 oC), (Na2O x 11Al2O3) Dzisiaj – Li|SOCl2|C, 3.6 V, 1.86 kWh/kg, 25 lat życia (rozruszniki serca), XXI w. – ???

  4. Ogniwa odwracalne 1859 – Gaston Planté, akumulator ołowiowy Pb|H2SO4|PbO2 1899 – Waldemar Junger, akumulator Ni/Cd: Ni, NiO(OH)|NaOH|Cd(OH)2, Cd 1904 – Thomas Alva Edison, akumulator Fe/Ni: Fe|KOH|Ni(OH)3 1988 – Akumulator wanadowy, V(V)+V(II)V(III)+V (IV) Australia (patent USA) 1990 – Akumulator Ni/MH, komercjalizacja Sanyo Electric, LaNi5 1991 – 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. d Kondensatory. Parametry: C i C/V Emax En/V iprzecieku rozł iCużyw życia Tpracy C = (S ) / d En/V = ½  |E|2 |Emax| = Vmax/d (wywołuje przebicie) S E Materiały magazynujące ładunek elektryczny.

  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. Niska oporność układu (iskra, motory, zawory elektromagnetyczne feedback) 1 A 100 mA Średnia oporność układu (wszystkie mikroprocesory) 10 mA 1 mA Wysoka oporność układu (backup dla zegara, SRAM i DTS ) 100 A 10 A   1 A 1 s 10 s 100 s 1 h 10 h 100 h 1 mies.

  8. Superprzewodniki jonów /superionic conductors lub solid (niegdyś vitreous) electrolytes/. h+ Kat+ Kat+ h+ e– An– superprzewodnik anionowy superprzewodnik kationowy przewodnik mieszany + – przewodnik elektronowo–dziurowy Superprzewodnictwo : gdy jon(25 oC) > 10–3 S/m Badania: (i) nowe związki, (ii) aspekt temperaturowy, (iii) złącza dwóch superprzewodników jonowych, (iv) max. exp. jon 30 S/m, max. teor. jon 104 Zastosowania: (i) materiały elektrodowe (baterie, sensory, wyświetlacze), (ii) membrany (ogniwa paliwowe), (iii) synteza ultraczystych metali alkalicznych

  9. H+: KHSO4, Cs2(HSO4)(H2PO4), HPb2Nb3O10 F–: PbF2, CsPbF3, TlF, AgF, PbSnF4 and KBiF4, CaF2:Y O2–: M4+O2oraz perowskity A2+M4+O3, M = Ti, Zr, Ce, Ba2In2O5, La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.8O2.85, domieszkowany Bi4V2O11 andSrFeCo0.5Ox, BaBi3O5.5, Bi2WO6 Li+: Li3N, Li3M2(PO4)3 (M=Sc, Fe), LixCoO2 (elektronowo–jonowy) Na+: Na3Zr2Si2PO12, Na5YSi4O12, NaTi2Al5O12 K+: KTiOPO4:Nb NH4+: NH4TaWO6 Mg2+: Mg3Bi2 Ag+: AgX (X = Cl, Br, I), Ag4RbI5 intrinsic anion lattice soft disorder & intrinsic defects KTiOPO4:Nb = K1–xTi1–xNbxOPO4, brakujące (K+) CaF2:Y = (CaF2)1–x(YF3)x, nadmiarowe F–

  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 (TC); oporność dla prądu zmiennego jest bardzo mała, lecz mierzalna, i zwiększa się ze wzrostem częstości prądu AC

  11. EfektMeissnera–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 isurf BSC Bext

  12. Zwięzła Historia Nadprzewodnictwa • 1911 Holenderskifizyk Heike Kamerlingh Onnes z Leiden odkrywa nadprzewodnictwo w Hg @ 4 K (NN 1913) • 1933 Walter Meissner i Robert Ochsenfeld odkrywają efekt idealnego diamagnetyzmu (efekt M-O) • 1941 NbN nadprzewodzi w 16 K • 1957 John Bardeen, Leon Cooper, i John Schrieffer formułują teorię BCS (NN 1972) • 1962 Brian D. Josephson, student z Uniw. Cambridge, przewidział efekt prądów tunelowych (efekt Josephsona) (NN 1973) • 1964 Bill Little z Uniw. Stanford zasugerowałistnienie organicznych nadprzewodników • 1973 Art Sleight z f-my DuPont odkrywa Ba(Pb,Bi)O3(TC= 13K) • 1980 Klaus Bechgaardz Uniw. wKopenhadze zsyntezował nadprzewodzący (TMTSF)2PF6, potwierdzając przewidywania Little’a

  13. 1986 Alex Müller i Georg Bednorz (IBM,Szwajcaria)odkryli ceramicznytlenek Cu z TC = 30 K (NN 1987) • 1987 Zespół z Uniw. Alabama-Huntsville odkrywa YBCO (92 K) • 1989 Odkrycie domieszkowanego elektronami (n-) a nie dziurami (p-) NCCO (10 K) • 1991 Robert Haddon (Bell Labs)odkrył K3C60(18 K) • 1991 Smith et al. oraz Er et al. odkrywają dopowane elektronami związki infinite-layer Sr1–xLaxCuO2 (40 K) oraz Sr1–xLaxCuO2 (43 K) • 1992 Azuma et al. odkrywają pierwszy dopowany dziurami i-l Ca1–xSrxCuO2 (110 K) • 1994 C. W. Chu et al.: HgBa2Ca2Cu3O8+x@ 166 K (–107 oC) (aktualny rekord pod wysokim ciśnieniem) • 1994 Almamouri et al. odkrywa Sr2CuO2F2+x (46 K) (apical O) • 1995 Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33@ 138 K (aktualny rekord pod normalnym ciśnieniem) • 2001-2 MgB2 nadprzewodzi w 39 K (J. Akimitsu et al.) • 2002 Li nadprzewodzi w 20 K w ciśnieniach GPa (V. Struzhkin et al.) • 2002 Afera Schön’a: SCs ze “wstrzykniętym ładunkiem” i inne “nano–odkrycia” • … • 2011 RT SC ? Nobel Prize ? temperature–enforced SC ? Non–crystalline materials ?

  14. Dlaczego to jest ważne? Użycie nadprzewodników. Sny ludzkości i wizja futurystyczna. • Transport dużych gęstości prądu: • Linie przesyłowe (straty energii od 30% do 50% przy użyciu standardowych kabli), silniki elektryczne, transformatory • Czystsza planeta • 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=(R2+L2C2)–½ R=0

  15. Rodziny nadprzewodników • pierwiastki (Nb 9.25 K, Pb 7.2 K, … Rh 0.000325 K, C nanorurki 15 K) • pierwiastki pod wysokim ciśnieniem (Li@60 GPa: 16–20 K, S@160 GPa: 17 K, O@100 GPa: 0.6 K, B@250 GPa: 11.2 K, Xe??? Solid H, TC > 200 K???) • związki chemiczne pod ciśnieniem: jodanil@52 GPa (2 K)

  16. Nb3Ge • stopy metali (Nb0.6Ti0.4 – pierwszy kabel), włączając rodzinę A15 (Nb3Ge 23.2 K, V3Si 17.1 K), pierwszy transuranowy SC, PuCoGa5 18.5 K, ciężki fermion UGe2 1K, UPd2Al2 2 K, CeRu2 6 K, i rzadki ferromagnetyczny, AuIn3 0.05 K; Al55Mn20Si (25 K) MgB2 • wodorki: Th4H15 (8.2 K), PdH0.6 (9 K), PdD0.6 (9 K) • borki: ZrB12 (5.7 K), CeCo4B4 (13 K), MgB2 (39 K) • borowęgliki: ErNi2B2C (10.5 K), YPd2B2C (23 K) • węgliki: KC8 (0.4 K), Th2C3 (4.1 K), MgCNi3 (8K), MoC (13 K), Y0.7Th0.3C1.5 (18 K) • fullerydki: Na2Rb0.5Cs0.5C60 (8 K), Cs3C60 (40 K) • krzemki: (Na,Ba)xSi46 (4 K), LaPt2Si2 (10 K), V3Si (17.1 K) • germanki: Y3Os4Ge13 (4 K), Nb3Ge (23.2 K) • azotki: VN (8.2 K), NbN (16 K), Lix(HfN)Cl (25.5 K) • azotko-węgliki: NbN0.7C0.3 (18 K) • fosforki: GaP (4 K), MoRuP (15.5 K) • fosforko-siarczki: NbPS (12 K) HfNCl

  17. siarczki: PbMo6S8 (14.6 K), PbMoS3 (15 K) • selenki: Nb2Se3 (2 K), Mo3Se4 (5.8 K) • tellurki: CuTe2 (1.2 K), PdTe (4 K) • fluorki: Ag2F (0.06 K, warstwy Ag są SC), HgnAsF6 (4 K, łańcuchy Hg czy metaliczna Hg?) • chlorki, bromki: Y2C2X2 (10 K) • jodki: SmI2 (2 K) • tlenki: Sr1–xTiO3 (0.2 K), TiO (0.8 K), Sr2RuO4 (1.35 K), MxWO3 (do 5.4 K), Ba(Pb,Sb)O3 (2.8 K), Ba (Pb,Bi)O3 (13 K), (Ba,K)BiO3 (26 K), Sr2YRu0.85Cu0.15O6–x (30 K) i tlenki miedzi (oxocuprates): • h+-doped La1.85Ba.15CuO4 36 K, Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 138 K, Tl2Ba2Ca2Cu3O10 127 K, Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110 K, HgBa2CuO4+x 94-98 K • e–-doped (Nd,Ce)2CuO4 10 K, (Nd,Sr,Ce)2CuO4 35 K, • infinite layer (Ba,Sr)CuO2 90 K, Ca1-xSrxCuO2 110 K (h+); Sr0.9La0.1CuO2 43K (e–) • oxochlorki, oxofluorki (bez apical O’s): (Sr,Ca)3Cu2O4+deltaCl2–y 80 K, (Ca,Na)2CuO2Cl2 28 K, Sr2CuO2F2+x 46 K • organiczne: MeSeFulvalene (1.2 K), (BEDT-TTF)Cu[N(CN)2]Br (12 K), poly-(SN) 0.33 K

  18. 2:1, K2NiF4 1:1, CaTiO3 1:1, (K,Ba)BiO3 [CuO2] 1:1, Ca1–xSrxCuO2 3:1, HgBa2CuO4+x 2:1, La1.85Ba.15CuO4 1.67:1, Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33

  19. Intuicja Müller’a – propagujące się zabrzenie (tzw. polaron Jahna–Tellera, h+) LaIII2CuIIO4 LaIII(2–x)BaIIxCuII(1 – x)CuIIIxO4 W rzeczywistości…dziury wchodzą do pasma tlenowego i parują się w parę Coopera, ale… Dokonano cudownego odkrycia na bazie złego założenia!

More Related