Fehlendes Glied entdeckt: Neue Forschung ebnet den Weg für das Aufladen von Handys in unter einer Minute

CU Boulder Forscher haben einen Durchbruch im Verständnis der Ionenbewegung in porösen Materialien erzielt, was möglicherweise das schnellere Aufladen von Superkondensatoren ermöglicht und die Energiespeicherung für Elektronik und Stromnetze transformiert. Credit: SciTechDaily.com

Wissenschaftler der CU Boulder haben herausgefunden, wie Ionen in winzigen Poren sich bewegen, was möglicherweise die Energiespeicherung in Geräten wie Superkondensatoren verbessert. Ihre Forschung aktualisiert das Kirchhoffsche Gesetz mit weitreichenden Auswirkungen auf die Energiespeicherung in Fahrzeugen und Stromnetzen.

Stellen Sie sich vor, wenn Ihr lebloses Laptop oder Telefon in einer Minute aufgeladen werden könnte oder wenn ein Elektroauto in nur 10 Minuten vollständig betrieben werden könnte. Obwohl dies noch nicht möglich ist, könnte eine neue Forschung eines Teams von Wissenschaftlern an der CU Boulder diese Fortschritte möglicherweise zur Realität machen.

In den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Forscher des Labors von Ankur Gupta entdeckten, wie winzige geladene Partikel, sogenannte Ionen, innerhalb eines komplexen Netzwerks von winzigen Poren sich bewegen. Der Durchbruch könnte zur Entwicklung effizienterer Energiespeichergeräte führen, wie Superkondensatoren, sagte Gupta, Assistenzprofessor für Chemie- und Biotechnologie.

"Angesichts der entscheidenden Rolle von Energie für die Zukunft des Planeten fühlte ich mich inspiriert, mein Wissen im Bereich der Chemie- und Biotechnologie für die Weiterentwicklung von Energiespeichergeräten anzuwenden", sagte Gupta. "Es schien, als ob das Thema nicht ausreichend erforscht war und somit die perfekte Gelegenheit bot."

Gupta erklärte, dass mehrere Verfahren aus der Chemischen Technologie verwendet werden, um den Fluss in porösen Materialien wie Ölvorkommen und Wasseraufbereitung zu untersuchen, jedoch bislang nicht vollständig bei einigen Energiespeichersystemen genutzt wurden.

Der Fund ist nicht nur für die Energiespeicherung in Fahrzeugen und elektronischen Geräten bedeutsam, sondern auch für Stromnetze, in denen schwankende Energie-Nachfrage eine effiziente Speicherung erfordert, um Verschwendung während Zeiten geringer Nachfrage zu vermeiden und eine schnelle Bereitstellung während hoher Nachfrage sicherzustellen.

Suprekapazitatoren, Energiespeichergeräte, die auf der Ionenansammlung in ihren Poren basieren, haben schnelle Ladezeiten und eine längere Lebensdauer im Vergleich zu Batterien.

"Der Hauptvorteil von Superkondensatoren liegt in ihrer Geschwindigkeit", sagte Gupta. "Wie können wir ihr Aufladen und die Freisetzung von Energie schneller machen? Durch die effizientere Bewegung von Ionen."

Ihre Ergebnisse modifizieren Kirchhoffs Gesetz, das den Stromfluss in elektrischen Schaltkreisen seit 1845 regelt und ein fester Bestandteil im naturwissenschaftlichen Unterricht von Schülern ist. Im Gegensatz zu Elektronen bewegen sich Ionen aufgrund von elektrischen Feldern und Diffusion, und die Forscher stellten fest, dass ihre Bewegungen an Porenschnittpunkten sich von dem unterscheiden, was in Kirchhoffs Gesetz beschrieben wurde.

Vor dieser Studie wurden die Bewegungen von Ionen nur in der Literatur in einer geraden Pore beschrieben. Durch diese Forschung kann die Bewegung von Ionen in einem komplexen Netzwerk von tausenden miteinander verbundenen Poren in wenigen Minuten simuliert und vorhergesagt werden.

"Das ist der Fortschritt der Arbeit", sagte Gupta. "Wir haben das fehlende Glied gefunden."

Referenz: "Ein Netzwerkmodell zur Vorhersage des ionischen Transports in porösen Materialien" von Filipe Henrique, Paweł J. Żuk und Ankur Gupta, 24. Mai 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.2401656121