Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Laadt u uw laptop binnen een minuut op? Supercondensatoren kunnen helpen; nieuw onderzoek biedt aanwijzingen

Krediet:Pixabay/CC0 Publiek Domein

Stel je voor dat je dode laptop of telefoon binnen een minuut kan worden opgeladen of dat een elektrische auto binnen 10 minuten volledig van stroom kan worden voorzien.

Hoewel dit nog niet mogelijk is, zou nieuw onderzoek door een team van CU Boulder-wetenschappers potentieel tot dergelijke vooruitgang kunnen leiden.

Vandaag gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences ontdekten onderzoekers in het laboratorium van Ankur Gupta hoe kleine geladen deeltjes, ionen genaamd, bewegen binnen een complex netwerk van minuscule poriën. De doorbraak zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere apparaten voor energieopslag, zoals supercondensatoren, zegt Gupta, universitair docent chemische en biologische technologie.

"Gezien de cruciale rol van energie in de toekomst van de planeet, voelde ik me geïnspireerd om mijn kennis van chemische technologie toe te passen op de vooruitgang van energieopslagapparatuur", zei Gupta. "Het voelde alsof het onderwerp enigszins onderbelicht was en als zodanig de perfecte gelegenheid was."

Gupta legde uit dat verschillende chemische technieken worden gebruikt om de stroming in poreuze materialen zoals oliereservoirs en waterfiltratie te bestuderen, maar dat deze in sommige energieopslagsystemen nog niet volledig worden benut.

Tijdsevolutie van het dimensieloze elektrochemische potentieel van lading φ* voor een driehoekig rooster met 30 inlaten. Credit:Proceedings van de National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2401656121

De ontdekking is niet alleen belangrijk voor de opslag van energie in voertuigen en elektronische apparaten, maar ook voor elektriciteitsnetwerken, waar de fluctuerende energievraag efficiënte opslag vereist om verspilling te voorkomen tijdens perioden van lage vraag en om een ​​snelle levering te garanderen tijdens hoge vraag.

Supercondensatoren, apparaten voor energieopslag die afhankelijk zijn van de accumulatie van ionen in hun poriën, hebben snelle oplaadtijden en een langere levensduur in vergelijking met batterijen.

"De belangrijkste aantrekkingskracht van supercondensatoren ligt in hun snelheid", zei Gupta. "Dus hoe kunnen we het opladen en vrijgeven van energie sneller maken? Door de efficiëntere beweging van ionen."

Hun bevindingen wijzigen de wet van Kirchhoff, die sinds 1845 de stroomsterkte in elektrische circuits regelt en een belangrijk onderdeel is van de wetenschapslessen van middelbare scholieren. In tegenstelling tot elektronen bewegen ionen als gevolg van zowel elektrische velden als diffusie, en de onderzoekers stelden vast dat hun bewegingen op poriënkruispunten anders zijn dan wat werd beschreven in de wet van Kirchhoff.

Voorafgaand aan het onderzoek werden ionenbewegingen in de literatuur alleen beschreven in één rechte porie. Door dit onderzoek kan de ionenbeweging in een complex netwerk van duizenden onderling verbonden poriën in een paar minuten worden gesimuleerd en voorspeld.

"Dat is de sprong van het werk", zei Gupta. "We hebben de ontbrekende schakel gevonden."