Badacze z CU Boulder dokonali przełomu w zrozumieniu ruchu jonów w materiałach porowatych, potencjalnie umożliwiając szybsze ładowanie superkondensatorów i transformację magazynowania energii na potrzeby elektroniki i sieci energetycznych. Źródło: SciTechDaily.com
Naukowcy z CU Boulder odkryli, w jaki sposób jony poruszają się w maleńkich porach, potencjalnie poprawiając magazynowanie energii w urządzeniach takich jak superkondensatory. Ich badania aktualizują prawo Kirchhoffa, co ma istotne implikacje dla magazynowania energii w pojazdach i sieciach energetycznych.
Wyobraź sobie, że Twój martwy laptop lub telefon można naładować w ciągu minuty lub że samochód elektryczny można naładować w zaledwie 10 minut. Chociaż nie jest to jeszcze możliwe, nowe badania przeprowadzone przez zespół naukowców z CU Boulder mogą potencjalnie urzeczywistnić te osiągnięcia.
Opublikowano w Postępowanie Narodowej Akademii Nauknaukowcy z laboratorium Ankura Gupty odkryli, jak maleńkie naładowane cząstki, zwane jonami, poruszają się w złożonej sieci maleńkich porów. Przełom może doprowadzić do opracowania bardziej wydajnych urządzeń do magazynowania energii, takich jak superkondensatory, powiedział Gupta, adiunkt inżynierii chemicznej i biologicznej.
Zastosowanie technik inżynierii chemicznej
„Biorąc pod uwagę kluczową rolę energii w przyszłości planety, poczułem inspirację do zastosowania mojej wiedzy z zakresu inżynierii chemicznej do udoskonalenia urządzeń magazynujących energię” – powiedział Gupta. „Wydawało mi się, że temat był nieco niedostatecznie zbadany i jako taki stanowił idealną okazję”.
Gupta wyjaśnił, że do badania przepływu w materiałach porowatych, takich jak zbiorniki ropy i filtracja wody, wykorzystuje się kilka technik inżynierii chemicznej, ale nie zostały one w pełni wykorzystane w niektórych systemach magazynowania energii.
Odkrycie ma znaczenie nie tylko dla magazynowania energii w pojazdach i urządzeniach elektronicznych, ale także dla sieci elektroenergetycznych, gdzie zmienne zapotrzebowanie na energię wymaga wydajnego magazynowania, aby uniknąć odpadów w okresach niskiego zapotrzebowania i zapewnić szybkie dostawy w okresach dużego zapotrzebowania.
Zalety superkondensatorów
Superkondensatory, urządzenia do magazynowania energii, które opierają się na gromadzeniu się jonów w porach, charakteryzują się krótkim czasem ładowania i dłuższą żywotnością w porównaniu do akumulatorów.
„Główną zaletą superkondensatorów jest ich prędkość” – powiedział Gupta. „Jak więc możemy przyspieszyć ich ładowanie i uwalnianie energii? Przez efektywniejszy ruch jonów.”
Ich odkrycia modyfikują prawo Kirchhoffa, które reguluje przepływ prądu w obwodach elektrycznych od 1845 roku i jest podstawą zajęć ścisłych dla uczniów szkół średnich. W przeciwieństwie do elektronów jony poruszają się zarówno pod wpływem pól elektrycznych, jak i dyfuzji, a badacze ustalili, że ich ruchy w miejscach przecięcia porów różnią się od opisanych w prawie Kirchhoffa.
Przed badaniami w literaturze opisano ruch jonów jedynie w jednym prostym porze. Dzięki tym badaniom można w ciągu kilku minut symulować i przewidywać ruch jonów w złożonej sieci tysięcy wzajemnie połączonych porów.
„Na tym polega ogrom pracy” – powiedział Gupta. „Znaleźliśmy brakujące ogniwo”.
Odniesienie: „Model sieciowy do przewidywania transportu jonowego w materiałach porowatych” autorstwa Filipe Henrique, Pawła J. Żuka i Ankura Gupta, 24 maja 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2401656121
