Ontbrekende Link Ontdekt: Nieuw Onderzoek Baant de Weg voor Het Opladen van Telefoons in Minder dan een Minuut

CU Boulder-onderzoekers hebben een doorbraak bereikt in het begrijpen van ionenbeweging in poreuze materialen, wat mogelijk sneller opladen van supercondensatoren mogelijk maakt en energieopslag transformeert voor elektronica en energienetwerken. Krediet: SciTechDaily.com

CU Boulder-wetenschappers hebben ontdekt hoe ionen bewegen in kleine poriën, wat mogelijk de energieopslag in apparaten zoals supercondensatoren verbetert. Hun onderzoek actualiseert de wet van Kirchhoff, met significante implicaties voor energieopslag in voertuigen en energienetwerken.

Stel je voor dat je dode laptop of telefoon in een minuut opgeladen kan worden, of dat een elektrische auto in slechts 10 minuten volledig kan worden opgeladen. Hoewel dit nog niet mogelijk is, zou nieuw onderzoek van een team wetenschappers aan CU Boulder deze vooruitgang mogelijk kunnen maken.

Gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, ontdekten onderzoekers in het laboratorium van Ankur Gupta hoe kleine geladen deeltjes, genaamd ionen, bewegen binnen een complex netwerk van minuscule poriën. De doorbraak zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere energieopslagapparaten, zoals supercondensatoren, aldus Gupta, universitair hoofddocent chemische en biologische techniek.

“Gezien de cruciale rol van energie in de toekomst van de planeet, voelde ik me geïnspireerd om mijn kennis van chemische techniek toe te passen op de vooruitgang van energieopslagapparaten,” zei Gupta. “Het voelde alsof het onderwerp enigszins onderbelicht was en als zodanig een perfecte kans bood.”

Gupta legde uit dat verschillende technieken van chemische techniek worden gebruikt om de stroming in poreuze materialen, zoals in olie-reservoirs en waterfiltratie, te bestuderen, maar die zijn nog niet volledig gebruikt in sommige energiesystemen voor opslag.

De ontdekking is niet alleen belangrijk voor energieopslag in voertuigen en elektronische apparaten, maar ook voor energienetwerken, waar fluctuerende energievraag efficiënte opslag vereist om verspilling tijdens periodes van lage vraag te voorkomen en om snelle levering tijdens hoge vraag te garanderen.

Supercapacitoren, energieopslagapparaten die vertrouwen op ionenaccumulatie in hun poriën, hebben snelle laadtijden en langere levensduur in vergelijking met batterijen.

“De voornaamste aantrekkingskracht van supercondensatoren ligt in hun snelheid,” aldus Gupta. “Hoe kunnen we hun opladen en vrijgeven van energie sneller maken? Door de efficiëntere beweging van ionen.”

Hun bevindingen modificeren de wet van Kirchhoff, die sinds 1845 de stroom in elektrische circuits heeft geregeld en een pijler is in wetenschapslessen van middelbare scholieren. In tegenstelling tot elektronen bewegen ionen door zowel elektrische velden als diffusie, en de onderzoekers hebben vastgesteld dat hun bewegingen op poreus kruispunten anders zijn dan wat werd beschreven in de wet van Kirchhoff.

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

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

Referentie: “Een netwerkmodel om ionentransport in poreuze materialen te voorspellen” door Filipe Henrique, Paweł J. Żuk en Ankur Gupta, 24 mei 2024, Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.2401656121