Η σύγχρονη ζωή βασίζεται στον ηλεκτρισμό και τις ηλεκτρικές συσκευές, από αυτοκίνητα και λεωφορεία μέχρι τηλέφωνα και φορητούς υπολογιστές έως τα ηλεκτρικά συστήματα στα σπίτια. Πίσω από πολλές από αυτές τις συσκευές υπάρχει ένας τύπος συσκευής αποθήκευσης ενέργειας, ο υπερπυκνωτής. Η ομάδα μηχανικών μου εργάζεται για να κάνει αυτούς τους υπερπυκνωτές ακόμη πιο ικανούς να αποθηκεύουν ενέργεια, μελετώντας πώς αποθηκεύουν ενέργεια σε νανοκλίμακα.
Όπως οι μπαταρίες, οι υπερπυκνωτές είναι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Φορτίζουν πιο γρήγορα από τις μπαταρίες, συχνά σε λίγα δευτερόλεπτα έως ένα λεπτό, αλλά γενικά αποθηκεύουν λιγότερη ενέργεια. Χρησιμοποιούνται σε συσκευές που χρειάζονται αποθήκευση ή παροχή ενέργειας σε σύντομο χρονικό διάστημα. Στο αυτοκίνητό σας και στους ανελκυστήρες, μπορούν να ανακτήσουν ενέργεια όταν φρενάρουν για να επιβραδύνουν. Βοηθούν στην κάλυψη των κυμαινόμενων ενεργειακών αναγκών των φορητών υπολογιστών και των καμερών και σταθεροποιούν το ενεργειακό φορτίο στα δίκτυα ισχύος.
Οι μπαταρίες λειτουργούν μέσω αντιδράσεων στις οποίες οι χημικές ουσίες εγκαταλείπουν ή προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια. Οι υπερπυκνωτές, από την άλλη, δεν βασίζονται σε αντιδράσεις και είναι ένα είδος σφουγγάρι φόρτισης. Όταν βυθίζετε ένα σφουγγάρι στο νερό, απορροφά το νερό επειδή το σφουγγάρι είναι πορώδες – περιέχει άδειους πόρους που μπορούν να απορροφήσουν νερό. Οι καλύτεροι υπερπυκνωτές κρατούν το μεγαλύτερο φορτίο ανά μονάδα όγκου, που σημαίνει ότι έχουν υψηλή χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας χωρίς να καταλαμβάνουν πολύ χώρο.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε τον Μάιο του 2024 στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences, ο μαθητής μου Filipe Henrique, ο συνάδελφός μου Pawel Zuk και εγώ περιγράφουμε πώς κινούνται τα ιόντα σε ένα δίκτυο νανοπόρους, μικροσκοπικούς πόρους που έχουν πλάτος μόνο νανόμετρα. Αυτή η έρευνα θα μπορούσε μια μέρα να βελτιώσει τις δυνατότητες αποθήκευσης ενέργειας των υπερπυκνωτών.
Όλα για τους πόρους
Οι επιστήμονες μπορούν να αυξήσουν την ικανότητα ενός υλικού ή την ικανότητα αποθήκευσης φορτίου, κάνοντας την επιφάνειά του πορώδη σε νανοκλίμακα. Ένα νανοπορώδες υλικό μπορεί να έχει επιφάνεια έως και 20.000 τετραγωνικά μέτρα (215.278 τετραγωνικά πόδια) – το ισοδύναμο περίπου τεσσάρων γηπέδων ποδοσφαίρου – ενώ ζυγίζει μόλις 10 γραμμάρια (το ένα τρίτο της ουγγιάς).
Τα τελευταία 20 χρόνια, οι ερευνητές έχουν μελετήσει πώς να ελέγξουν αυτή την πορώδη δομή και τη ροή ιόντων, μικροσκοπικών φορτισμένων σωματιδίων, μέσω του υλικού. Η κατανόηση της ροής ιόντων μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να ελέγξουν τον ρυθμό με τον οποίο ένας υπερπυκνωτής φορτίζει και απελευθερώνει ενέργεια.
Ωστόσο, οι ερευνητές εξακολουθούν να μην καταλαβαίνουν ακριβώς πώς τα ιόντα ρέουν μέσα και έξω από τα πορώδη υλικά.
Κάθε πόρος σε ένα στρώμα πορώδους υλικού είναι μια μικρή τρύπα γεμάτη με θετικά και αρνητικά ιόντα. Το άνοιγμα του πόρου συνδέεται με μια δεξαμενή θετικών και αρνητικών ιόντων. Αυτά τα ιόντα προέρχονται από έναν ηλεκτρολύτη, ένα αγώγιμο υγρό.
Για παράδειγμα, αν βάλετε αλάτι στο νερό, κάθε μόριο άλατος διαχωρίζεται σε ένα θετικά φορτισμένο ιόν νατρίου και ένα αρνητικά φορτισμένο ιόν χλωρίου.
Όταν η επιφάνεια του πόρου είναι φορτισμένη, ιόντα ρέουν από τη δεξαμενή στον πόρο ή αντίστροφα. Όταν η επιφάνεια είναι θετικά φορτισμένη, αρνητικά ιόντα ρέουν από τη δεξαμενή στον πόρο και τα θετικά φορτισμένα ιόντα εγκαταλείπουν τον πόρο καθώς απωθούνται. Αυτή η ροή σχηματίζει πυκνωτές που συγκρατούν το φορτίο στη θέση τους και αποθηκεύουν ενέργεια. Όταν το επιφανειακό φορτίο εκφορτίζεται, τα ιόντα ρέουν προς την αντίθετη κατεύθυνση και η ενέργεια απελευθερώνεται.
Τώρα φανταστείτε έναν πόρο να χωρίζεται σε δύο διαφορετικούς διακλαδισμένους πόρους. Πώς ρέουν τα ιόντα από τον κύριο πόρο σε αυτούς τους κλάδους;
Σκεφτείτε τα ιόντα ως αυτοκίνητα και τους πόρους ως δρόμους. Η ροή της κυκλοφορίας σε έναν μόνο δρόμο είναι απλή. Ωστόσο, σε μια διασταύρωση χρειάζεστε κανόνες για να αποφύγετε ατυχήματα ή μποτιλιαρίσματα, οπότε υπάρχουν φανάρια και κυκλικοί κόμβοι. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν κατανοούν πλήρως τους κανόνες που ακολουθούνται από τα ιόντα που ρέουν μέσα από μια τομή. Η εξεύρεση αυτών των κανόνων θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν πώς φορτίζεται ένας υπερπυκνωτής.
Τροποποιήστε έναν φυσικό νόμο
Οι μηχανικοί γενικά χρησιμοποιούν ένα σύνολο φυσικών νόμων που ονομάζονται «νόμοι του Kirchhoff» για να προσδιορίσουν την κατανομή του ηλεκτρικού ρεύματος σε μια σύνδεση. Ωστόσο, οι νόμοι του κυκλώματος του Kirchhoff προήλθαν για τη μεταφορά ηλεκτρονίων, όχι για τη μεταφορά ιόντων.
Τα ηλεκτρόνια κινούνται μόνο όταν υπάρχει ηλεκτρικό πεδίο, αλλά τα ιόντα μπορούν να κινηθούν μέσω της διάχυσης ακόμη και χωρίς ηλεκτρικό πεδίο. Ακριβώς όπως μια πρέζα αλατιού διαλύεται αργά σε ένα ποτήρι νερό, τα ιόντα μετακινούνται από πιο συγκεντρωμένες σε λιγότερο συγκεντρωμένες περιοχές.
Οι νόμοι του Kirchhoff είναι σαν λογιστικές αρχές για συνδέσεις κυκλώματος. Ο πρώτος νόμος ορίζει ότι το ρεύμα που εισέρχεται σε μια σύνδεση πρέπει να ισούται με το ρεύμα που εξέρχεται από αυτήν. Ο δεύτερος νόμος δηλώνει ότι η τάση, δηλαδή η πίεση που οδηγεί τα ηλεκτρόνια μέσω του ρεύματος, δεν μπορεί να αλλάξει απότομα σε μια σύνδεση. Διαφορετικά, θα δημιουργηθεί επιπλέον ρεύμα και θα διαταραχθεί η ισορροπία.
Δεδομένου ότι τα ιόντα κινούνται επίσης με διάχυση και όχι μόνο με ηλεκτρικό πεδίο, η ομάδα μου τροποποίησε τους νόμους του Kirchhoff για να τους εφαρμόσει σε ιοντικά ρεύματα. Αντικαταστήσαμε την τάση V με μια ηλεκτροχημική τάση φ, η οποία συνδυάζει τάση και διάχυση. Αυτή η τροποποίηση μας επέτρεψε να αναλύσουμε τα δίκτυα πόρων, κάτι που δεν ήταν δυνατό πριν.
Χρησιμοποιήσαμε τον τροποποιημένο νόμο του Kirchhoff για να προσομοιώσουμε και να προβλέψουμε πώς ρέουν τα ιόντα μέσα από ένα μεγάλο δίκτυο νανοπόρους.
Κατά μήκος του δρόμου
Η μελέτη μας διαπίστωσε ότι η διάσπαση του ρεύματος από έναν πόρο σε διασταυρώσεις μπορεί να επιβραδύνει τον ρυθμό ροής φορτισμένων ιόντων στο υλικό. Ωστόσο, αυτό εξαρτάται από το πού βρίσκεται το τμήμα. Και η διάταξη αυτών των πόρων στο υλικό επηρεάζει επίσης την ταχύτητα φόρτισης.
Αυτή η έρευνα ανοίγει νέες πόρτες για την κατανόηση των υλικών στους υπερπυκνωτές και την ανάπτυξη καλύτερων υλικών.
Για παράδειγμα, το μοντέλο μας μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να προσομοιώσουν διαφορετικά δίκτυα πόρων για να βρουν ποιο ταιριάζει καλύτερα στα πειραματικά τους δεδομένα και να βελτιστοποιήσουν τα υλικά που χρησιμοποιούν στους υπερπυκνωτές.
Ενώ η εργασία μας επικεντρώθηκε σε απλά δίκτυα, οι ερευνητές θα μπορούσαν να εφαρμόσουν αυτήν την προσέγγιση σε πολύ μεγαλύτερα και πιο πολύπλοκα δίκτυα για να κατανοήσουν καλύτερα πώς η πορώδης δομή ενός υλικού επηρεάζει την απόδοσή του.
Στο μέλλον, οι υπερπυκνωτές θα μπορούσαν να κατασκευαστούν από βιοδιασπώμενα υλικά, ευέλικτες φορητές συσκευές ισχύος και να μπορούν να προσαρμόζονται μέσω της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Η κατανόηση της ροής ιόντων είναι ένα σημαντικό βήμα για τη βελτίωση των υπερπυκνωτών για ταχύτερα ηλεκτρονικά.
Αυτό το άρθρο προσαρμόστηκε από το The Conversation, έναν μη κερδοσκοπικό, ανεξάρτητο ειδησεογραφικό οργανισμό που σας φέρνει γεγονότα και αξιόπιστες αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Το έγραψε: Ankur Gupta, Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Boulder
Διαβάστε περισσότερα:
Ο Ankur Gupta λαμβάνει χρηματοδότηση από το NSF.