We leven in de moderne tijd, dat zit vol elektronica. Smartphones, laptops, tabletten, en veel andere apparaten hebben elektrische energie nodig om te werken. Draagbare apparaten maakten ons leven gemakkelijker, dus nieuwe oplossingen in schone energie en de opslag ervan zijn wenselijk. Lithium-ion (Li-ion) batterijen zijn de meest voorkomende oplossingen die de wereldmarkt domineren en vormen een enorm probleem vanwege hun onvoldoende herstel. Door hun beperkte macht korte levensduur, en niet-milieuvriendelijk karakter, wetenschappers hebben zich onlangs gericht op nieuwe oplossingen zoals supercondensatoren die veel meer bieden dan batterijen. Waarom? Laten we deze apparaten eens nader bekijken.

Supercondensatoren brengen de eigenschappen van een standaardcondensator en de Li-ionbatterij samen. In praktijk, deze apparaten slaan meer energie op dan condensatoren en leveren sneller energie dan batterijen. Hun geheim ligt binnenin, twee essentiële componenten verbergen. De eerste zijn twee zeer poreuze elektroden gemaakt van het materiaal dat elektriciteit geleidt; deze elektroden zijn gescheiden door een membraan om een ​​kortsluiting te voorkomen. De tweede is een elektrolyt dat een cruciale rol speelt in supercondensatoren. De elektrolyt heeft veel ionen die dicht bij elkaar liggen en de poriën vullen. Er zijn twee soorten ionen:positief geladen, kationen genoemd, en negatief geladen, anionen genoemd.

Wanneer het apparaat is ingeschakeld (het potentiaalverschil wordt toegepast tussen deze twee elektroden), ionen beginnen in en uit de poriën te reizen (kationen en anionen bewegen in tegengestelde richting), en de elektrische stroom vloeit. Een van de meest gebruikte materialen die de porositeit behouden, is actieve kool. Als de poriën groot zijn, het apparaat laadt snel op maar slaat weinig energie op. Als de poriën smal zijn, het apparaat levert meer energie, maar laadt langzamer op. Betekent dit dat kleiner beter is? Ja, echter, de snelheid van de ionen dacht dat hun reis in de poriën moest worden versneld.

Onlangs, een internationale groep onder leiding van Svyatoslav Kondrat van het Instituut voor Fysische Chemie, De Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) presenteerde onderzoekswerk waarin werd beschreven hoe ionentransport in nauwe poriën kan worden versneld. Waarom? Om de supercondensator sneller op te laden. Allereerst, onderzoekers concentreerden zich op de theorie. Ze vertoonden spleetachtige poriën met een grootte van ongeveer 0,6 nm, dat is, 0,6 meter verdeeld in miljard stukjes, net iets groter dan het ion zelf, terwijl de lengte minder dan 20 nm was. Wat een kleine maat! Het is zelfs kleiner dan virussen.

Wanneer de elektroden gepolariseerd zijn (de externe potentiaal wordt toegepast op elektroden om ionen in bepaalde richtingen te duwen), de ionen buiten de poriën haasten zich naar de poriën. Stel je voor dat ze bewegen als auto's op een snelweg, een zeer smalle tunnel in. Echter, in plaats van twee, drie, of vier rijstroken in tegengestelde richtingen, alle rijstroken zijn samengevoegd. Als auto's snel gaan, de snelweg is erg druk, en ze kunnen de tunnel snel blokkeren en vast komen te zitten in het verkeer. Hetzelfde gebeurt met ionen. Wanneer het potentiaalverschil dat op een elektrode wordt toegepast te snel wordt gevarieerd, ionen die de poriën van de elektrode binnenkomen, blokkeren de ionen die de poriën proberen te verlaten. Op deze manier, de poriën zijn verstopt. Wat betekent het in de praktijk?

Het slechte nieuws, het betekent langzamer opladen (lagere vermogensdichtheid) van de supercondensator. De onderzoekers stelden de oplossing voor:laten we ionen niet te snel duwen, maar, goed, ook niet te langzaam; laten we de snelheid aanpassen met een kleine stapsnelheid. Op basis van hun idee ze voerden meerdere complexe computersimulaties uit die veelbelovende resultaten opleverden. Dat was een theorie. Hoe zit het met de praktijk? Svyatoslav Kondrat zegt, "We hadden de simulatieresultaten, en we waren benieuwd hoe het in de praktijk werkt.” Experimenten uitgevoerd in Volker Presser (INM, Saarbrücken) gebruikten zeer poreuze elektroden gevuld met ionen. Onderzoekers hebben aangetoond dat ionen sneller kunnen reizen zonder verstopping van de poriën wanneer ze worden behandeld met kleine elektrische impulsen in plaats van abrupt opladen of ontladen. Op deze manier, ze ontdekten hoe ze het laad- en ontlaadproces konden versnellen, zelfs als de poriën van de elektrode zo smal zijn als slechts 0,6 nm. Het onderzoek werd gedaan in het kader van een internationale samenwerking en gerapporteerd op 30 november in het tijdschrift Natuur Communicatie.

Svyatoslav Kondrat zegt, "De resultaten zijn bemoedigend. Het is opwindend dat ook het lossen kan worden versneld. Het is alsof je auto's sneller de tunnel uit laten, ook al heb je alleen controle over de auto's buiten de tunnel. Dit is relevant voor sommige processen zoals capacitieve waterontzilting, waar bedieningssnelheid erg belangrijk is".

Hun bevindingen openen nieuwe mogelijkheden om het opladen en ontladen enorm te versnellen, zelfs in subnanometerporiën. Deze benadering van de nieuwe oplossingstoepassing kan een nieuwe weg bieden voor een meer wijdverbreid gebruik van deze milieuvriendelijke elektrochemische apparaten.