Oprettelse af en motorvejstunnel for ioner

Vi lever i moderne tid, der er fuld af elektronik. Smartphones, bærbare computere, tabletter, og mange andre enheder har brug for elektrisk energi for at fungere. Bærbare enheder gjorde vores liv lettere, så nye løsninger inden for ren energi og dens lagring er ønskelige. Lithium-ion (Li-ion) batterier er de mest almindelige løsninger, der dominerer det globale marked og er et stort problem på grund af deres utilstrækkelige genopretning. På grund af deres begrænsede magt, kort levetid, og ikke-miljøvenlig natur, forskere fokuserede for nylig på nye løsninger som superkondensatorer, der tilbyder meget mere end batterier. Hvorfor? Lad os se nærmere på disse enheder.

Superkondensatorer samler egenskaberne af en standardkondensator og Li-ion-batteriet. I praksis, disse enheder lagrer mere energi end kondensatorer og leverer energi hurtigere end batterier. Deres hemmelighed ligger indeni, skjuler to væsentlige komponenter. Den første er to meget porøse elektroder lavet af det materiale, der leder elektricitet; disse elektroder er adskilt af en membran for at forhindre en genvej. Den anden er en elektrolyt, der spiller en afgørende rolle i superkondensatorer. Elektrolytten har en masse ioner, der er tæt på hinanden og fylder porerne. Der er to typer ioner - positivt ladede kaldet kationer og negativt ladede kaldet anioner.

Når enheden er tændt (potentialeforskellen påføres mellem disse to elektroder), ioner begynder at bevæge sig ind og ud af porerne (kationer og anioner bevæger sig i modsatte retninger), og den elektriske strøm løber. Et af de mest brugte materialer, der bevarer porøsiteten, er aktivt kul. Hvis porerne er store, enheden oplader hurtigt, men lagrer lav energi. Hvis porerne er smalle, enheden giver mere energi, men oplader langsommere. Betyder det, at mindre er bedre? Ja, imidlertid, ionernes hastighed troede, at deres vandring i porerne skulle accelereres.

For nylig, en international gruppe ledet af Svyatoslav Kondrat fra Institute of Physical Chemistry, Det polske videnskabsakademi (IPC PAS) præsenterede forskningsarbejde, der beskrev, hvordan man kan fremskynde iontransport i smalle porer. Hvorfor? For at oplade superkondensatoren hurtigere. Først og fremmest, forskere fokuserede på teorien. De præsenterede spaltelignende porer med en størrelse på omkring 0,6 nm, det er, 0,6 meter opdelt i milliarder stykker, bare lidt større end selve ionen, mens dens længde var under 20 nm. Hvilken lille størrelse! Det er endnu mindre end vira.

Når elektroderne er polariserede (det eksterne potentiale påføres elektroder for at skubbe ioner i bestemte retninger), ionerne uden for porerne skynder sig til porerne. Forestil dig, at de bevæger sig som biler på en motorvej, ind i en meget smal tunnel. Imidlertid, i stedet for to, tre, eller fire baner i modsatte retninger, alle baner er slået sammen. Når biler kører hurtigt, motorvejen er meget overfyldt, og de kan hurtigt blokere tunnelen og sidde fast i trafikken. Det samme sker med ioner. Når potentialforskellen påført en elektrode varieres for hurtigt, ioner, der kommer ind i elektrodens porer, blokerer de ioner, der forsøger at forlade porerne. På denne måde porerne er tilstoppede. Hvad betyder det i praksis?

Den dårlige nyhed, det betyder langsommere opladning (lavere effekttæthed) af superkondensatoren. Forskerne foreslog løsningen:Lad os ikke skubbe ioner for hurtigt, men godt, heller ikke for langsomt; lad os justere hastigheden med en lille trinhastighed. Baseret på deres idé, de udførte flere komplekse computersimuleringer, der gav lovende resultater. Det var en teori. Hvad med praksis? Svyatoslav Kondrat siger, "Vi havde simuleringsresultaterne, og vi var nysgerrige, hvordan det fungerer i praksis." Eksperimenter udført i Volker Presser (INM, Saarbrücken) brugte meget porøse elektroder fyldt med ioner. Forskere har vist, at ioner kan rejse hurtigere uden at tilstoppe porer, når de behandles med små elektriske impulser i stedet for pludselig opladning eller afladning. Denne måde, de fandt ud af, hvordan man accelererer opladnings- og afladningsprocesserne, selvom elektrodens porer er så smalle som kun 0,6 nm. Forskningen er udført i et internationalt samarbejde og rapporteret den 30. november i tidsskriftet Naturkommunikation.

Svyatoslav Kondrat siger, "Resultaterne er opmuntrende. Det er spændende, at også afladningen kan accelereres. Det er som at få dine biler til at forlade tunnelen hurtigere, selvom du kun har kontrol over bilerne uden for tunnelen. Dette er relevant for nogle processer som kapacitiv vandafsaltning, hvor driftshastigheden er meget vigtig".

Deres resultater åbner nye muligheder for enormt at accelerere opladning og afladning selv i subnanometer porer. Denne tilgang til den nye løsningsapplikation kan give en ny vej til mere udbredt brug af disse miljøvenlige elektrokemiske enheder.