Brakujący łącze odkryte: Nowe badania otwierają drogę do ładowania telefonów w mniej niż minutę

Badacze z Uniwersytetu Boulder dokonali przełomu w zrozumieniu ruchu jonów w porowatych materiałach, co potencjalnie umożliwia szybsze ładowanie nadkondensatorów i zmienia przechowywanie energii dla elektroniki i sieci energetycznych. Źródło: SciTechDaily.com

Naukowcy z Uniwersytetu Boulder odkryli, jak poruszają się jony w mikroskopijnych porach, co potencjalnie poprawia przechowywanie energii w urządzeniach takich jak nadkondensatory. Ich badania uaktualniają prawo Kirchhoffa, mając istotne implikacje dla przechowywania energii w pojazdach i sieciach energetycznych.

Wyobraź sobie, że twój martwy laptop lub telefon mógłby zostać naładowany w minutę, albo że samochód elektryczny mógłby być w pełni zasilony w zaledwie 10 minut. Chociaż to jeszcze nie jest możliwe, nowe badania przeprowadzone przez zespół naukowców z Uniwersytetu Boulder mogłyby potencjalnie uczynić te postępy rzeczywistością.

Opublikowane w Pracach Narodowej Akademii Nauk, badacze z laboratorium Ankura Gupty odkryli, jak mikroskopijne naładowane cząsteczki, zwane jonami, poruszają się w skomplikowanej sieci mikroskopijnych porów. Przełom ten mógłby prowadzić do rozwoju bardziej wydajnych urządzeń przechowujących energię, takich jak nadkondensatory, powiedział Gupta, adiunkt w dziedzinie inżynierii chemicznej i biologicznej.

„Z uwagi na kluczową rolę energii w przyszłości planety, poczułem inspirację do zastosowania mojej wiedzy z zakresu inżynierii chemicznej w celu promowania urządzeń przechowujących energię,” powiedział Gupta. „Wyglądało na to, że temat był dość rzadko badany i w związku z tym stanowił idealną okazję.”

Gupta wyjaśnił, że różne techniki inżynierii chemicznej są stosowane do badania przepływu w porowatych materiałach, takich jak zbiorniki naftowe i filtracja wody, ale nie były one w pełni wykorzystane w niektórych systemach przechowywania energii.

Odkrycie to ma znaczenie nie tylko dla przechowywania energii w pojazdach i urządzeniach elektronicznych, ale także dla sieci energetycznych, gdzie zmienna liczba zapotrzebowań na energię wymaga efektywnego przechowywania w celu uniknięcia marnotrawstwa w okresach niskiego zapotrzebowania i szybkiego zapewnienia podczas okresów wysokiego zapotrzebowania.

Nadkondensatory, urządzenia przechowujące energię, które polegają na akumulacji jonów w swoich porach, mają szybki czas ładowania i dłuższą żywotność w porównaniu do baterii.

„Główna zaleta nadkondensatorów polega na ich szybkości,” powiedział Gupta. „Więc jak możemy uczynić ich ładowanie i uwalnianie energii szybszym? Poprzez bardziej efektywny ruch jonów.”

Ich wyniki modyfikują prawo Kirchhoffa, które reguluje przepływ prądu w obwodach elektrycznych od 1845 roku i stanowi podstawę w naukach przyrodniczych dla uczniów szkół średnich. W przeciwieństwie do elektronów, jony poruszają się zarówno ze względu na pola elektryczne, jak i dyfuzję, a naukowcy ustalili, że ich ruchy na przecięciach porów różnią się od tego, co opisano w prawie Kirchhoffa.

Przed przeprowadzeniem badania ruchy jonów były opisane jedynie w literaturze w jednym prostym kanale. Dzięki tym badaniom, ruch jonów w skomplikowanej sieci tysięcy połączonych porów można symulować i przewidzieć w kilka minut.

„To jest skok w pracy,” powiedział Gupta. „Odkryliśmy brakujące ogniwo.”

Referencje: „Model sieciowy do przewidywania transportu jonów w porowatych materiałach” autorstwa Filipe Henrique, Pawła J. Żuka i Ankura Gupty, 24 maja 2024 r., Zbiory Narodowej Akademii Nauk. DOI: 10.1073/pnas.2401656121