Учёные обнаружили, что заряженные частицы, называемые ионами, движутся через крошечные поры внутри суперконденсатора. И такой накопитель энергии может заряжаться намного быстрее, чем обычные аккумуляторы. Анкур Гупта, доцент кафедры химической и биологической инженерии, заявил, что такое достижимо благодаря большей эффективности процесса.
Гупта объяснил, что для понимания поведения частиц в пористых материалах, например, используемых в нефтяных резервуарах или для фильтрация воды, используются несколько методов химической инженерии. Однако соответствующие достижения не были освоены для систем накопления энергии.
Исследователь отметил, что предыдущих научные работы описывали движение ионов через одну прямую пору. Новое исследование доказало, что возможно движение ионов по сложной сети из тысяч взаимосвязанных пор за считанные минуты. И это может привести к значительным улучшениям в конструкции заряжаемых устройств — как больших, так и маленьких.
Гупта с коллегами проанализировали движение ионов через сложную сеть крошечных взаимосвязанных пор. Они смоделировали, как частицы за считанные минуты проходят по тысячам путей. Открытие вносит поправки в научные законы, которые «рулили» электротоком более 175 лет.
На школьных уроках физики изучают правила (они же законы) Кирхгофа как часть классической электродинамики. Правила описывают поток электронов в простом контуре электропроводки, а именно соотношения между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Однако Гупта обнаружил, что ионы, которые физически больше электронов, движутся через множество крошечных наноразмерных пор принципиально иным образом, чем электроны.
Исследователи сделали вывод, что ионы движутся как за счёт электрических полей, так и благодаря диффузии. Они определили, что это движение сквозь поры отличается от того, что описывают законы Кирхгофа. Важно добавить, что правила Кирхгофа по-прежнему применимы к обычным электронным схемам с потоками электронов. А обновлённые выводы коллектива Гупты имеют решающее значение для понимания и оптимизации производительности суперконденсаторов и других систем накопления энергии, которые работают за счёт перемещения ионов сквозь пористые материалы.
Это главный шаг в работе — мы нашли недостающее звено
— Анкур Гупта, доцент кафедры химической и биологической инженерии Колорадского университета в Боулдере.
Открытие позволит перезаряжать аккумуляторы электромобилей примерно за то же время, которое требуется для заправки бензином авто с двигателем внутреннего сгорания. Таким образом удалось бы устранить главный барьер при переходе на электрический транспорт — существенную разницу во времени.
Выводы из исследования имеют значение не только для хранения энергии в транспортных средствах и гаджетах. Более эффективное накопление энергии поможет электросетям лучше справляться с колебаниями спроса, быстро задействуя резервы в периоды пиковых нагрузок и избегая потерь при низком потреблении.
