Nanoczujniki od Insplorion do monitorowania stanu akumulatorów

Editor: Piotr Ciszewski

Ochrona klimatu i zrównoważona polityka energetyczna to obecnie najwyższe priorytety dla każdego kraju, dlatego przejście na odnawialne źródła energii jest dzisiaj koniecznością. Akumulatory są jednym z ważniejszych rozwiązań do zrealizowania tych celów, szczególnie w dwóch obszarach obejmujących samochody i systemy magazynowania energii.

W obu tych sektorach technologia nanosensorów ma ogromne możliwości wykorzystania. Takie czujniki mogą mierzyć poziom naładowania wewnętrznej baterii na poziomie molekularnym. To z kolei przyczyni się do lepszego monitorowania stanu i kontroli pojemności akumulatora. Poprzez zwiększenie dostępu do przechowywanej energii, możliwy stanie się wzrost gęstości mocy, szybkości ładowania a także redukcja wielu zagrożeń wynikających z przeładowania. Lepsza kontrola to także dłuższa żywotność baterii.


Rysunek 1. Schematyczny obraz baterii litowo-jonowej z modułami nanoczujnika w każdym ogniwie – kolor pomarańczowy i czerwony

Przeprowadzona analiza przez szwedzką firmę Insplorion wraz instytutem badawczym RISE Acreo, w ramach projektu „Miniaturization of a nanosensor system for batteries”, potwierdziła właśnie możliwość zbudowania tanich systemów nanoczujników światłowodowych, które spełnią wymagania stawiane aplikacjom do monitorowania stanu akumulatorów. Badania rynku wykazały również, że taki system będzie działał w innych, ciekawych pod względem komercyjnym zastosowaniach, na przykład w medycynie do diagnostyki in vivo, czy w przemyśle przetwórczym do kontroli żywności. Badania przeprowadzono w oparciu o opatentowaną technologię wykrywania nanoplazmatycznego NPS (NanoPlasmonic Sensing), która wykorzystuje fizyczne zjawisko zwane zlokalizowanym rezonansem plazmonów powierzchniowych LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance). Zjawisko to polega na wzbudzeniu przez światło chmury elektronów – plazmonów, poprzez umieszczenie cienkiej warstewki metalicznej między dwoma ośrodkami różniącymi się gęstością optyczną, np. metal – dielektryk. Aby doszło do rezonansu plazmonów, energia fotonu padającego na powierzchnię metalu musi być równa energii drgań oscylacyjnych plazmonów.

Technologia NPS to nowy sposób przeprowadzania w czasie rzeczywistym badań materiałów optycznych w nanoskali, umożliwiająca naukowcom badanie zmian molekularnych w nanomateriałach. Nanoplazmatyczne wykrywanie wykorzystuje nanocząstki metali, zwykle Au lub Ag, jako lokalne elementy wykrywające, które oferują połączenie unikalnych właściwości: ultrawysokiej czułości, małej ilości cząsteczek w objętości (ze względu na rozmiary stosowanych nanocząsteczek, typowo: 50-100 nm) i zdolności do szybkiego, zdalnego odczytu w czasie rzeczywistym (czas rzędu milisekund).


Rysunek 2. Widok powierzchni nanoczujnika NPS

W zastosowanej przez Insplorion technologii NPS wykrywanie odbywa się poprzez matryce nieoddziałujących, identycznych nanodysków złota umieszczonych na przeźroczystym podłożu. Złota matryca nanodysków – czujnik, pokryta jest cienką warstwą (rzędu kilkudziesięciu nm) dielektryka. W ten sposób nanoelementy czujnika zostały na stałe osadzone w powierzchnię sensora i nie oddziałują fizycznie z badanym nanomateriałem, za wyjątkiem pola LSPR. Oscylacje pola LSPR zależą przede wszystkim od materiału i wielkości nanocząstki badanego materiału, ich wzajemnych odległości oraz temperatury i właściwości dielektrycznych ośrodka w pobliżu oświetlanej nanocząstki.


Rysunek 3. Budowa nanoczujnika NPS

Zastosowana przez Insplorion metoda detekcji polega na optycznym pomiarze widma fali światła transmitowanego przez układ czujnika umieszczonego w tzw. reaktorze. Światło pomiędzy poszczególnymi elementami transmitowane jest przez światłowody. Pomiar odpowiedzi pola LSPR dokonywany jest na spektrometrze z bardzo wysoką rozdzielczością spektralną.


Rysunek 4. Schemat pomiaru widma spektralnego czujnika NPS

Optyczna odpowiedź układu czujnika NPS charakteryzuje się wyraźnym pikiem przy określonej długości fali w analizowanym widmie. Spowodowane jest to silnym oddziaływaniem czujników nanodyskowych ze światłem w polu LSPR, w wyniku procesów absorpcji i rozpraszania. Pozycja spektralna piku LSPR rejestrowana jest jako funkcja czasu procesu, który jest badany/rejestrowany, np. podczas reakcji z cząsteczkami badanego gazu lub w wyniku zmian temperatury. Zmiany kolorów mogą być spowodowane zachodzącym procesem chemicznym w materiale próbki (przejścia fazowe), zmianami w powierzchni próbki lub energią chemiczną rozproszoną przez reakcje chemiczną przebiegającą na nanokatalizatorze. Wyniki rejestrowane są w czasie rzeczywistym, w odstępach czasu rzędu milisekund i z rozdzielczością widmową 0,01 nm.


Rysunek 5. Optyczna odpowiedź czujnika NPS
© Insplorion

Pomiar stanu baterii w ogniwach litowo-jonowych przy użyciu nanoczujników zapewni wzrost dostępności energii do 50% oraz zwiększy szybkość ładowania do 23%. Dzięki temu zmaleją do 38% koszty wytworzenia. Technologia firmy Insplorion istnieje już dzisiaj w produkowanych komercyjnie prototypach a dzięki przeprowadzonej analizie udowodniła, że może zostać zminiaturyzowana, produkowana masowo oraz tanio, w porównaniu do dzisiejszych systemów zarządzania akumulatorami. Firma zapowiedziała kontynuację prac i dalszy rozwój technologii we współpracy z RISE Acreo i innymi podmiotami przemysłowymi.