نفق أيوني فائق السرعة

نحن نعيش في عالم حديث مليء بالأجهزة التي تعمل بالكهرباء. يضمن تطوير التقنيات الجديدة أن الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والعديد من الأجهزة المحمولة الأخرى معنا في كل خطوة على الطريق. تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون ، المسماة ببطاريات Li-ion القابلة لإعادة الشحن ، بشكل شائع لتشغيل الأجهزة المحمولة ، ولكن نظرًا لبطء الشحن وعمر الخدمة القصير والتلوث البيئي (بسبب المحتوى العالي من المعادن الثقيلة ، مثل الكوبالت) ، المزيد والمزيد من الاهتمام مكثفات فائقة توجه. هذه هي الأجهزة التي لها خصائص بطاريات اوند المكثفات يجمع. بماذا يتعلق؟ عمر خدمة أطول ، وإعادة تدوير أسهل ، وقبل كل شيء ، شحن أسرع ، مما يعني توفير الوقت. بعد كل شيء، والوقت هو المال.

مصدر الصورة: Pixabay

مزايا مكثفات فائقة تكمن في هيكلها ، والذي يتكون من عنصرين أساسيين. الأول هو نظام من قطبين كهربائيين مساميين للغاية مفصولين عن بعضهما البعض بواسطة مادة مسامية تحميهما من دوائر قصيرة. في أغلب الأحيان ، يتم تصنيع هذا الجزء من المكثف الفائق على أساس الكربون المنشط ، والذي يستخدم في هذه الأجهزة لسبب ما. يوجد في مسامها المكون الرئيسي الثاني للمكثف الفائق - الإلكتروليت ، الذي يحتوي على أيونات ، أي الذرات المزودة بشحنة كهربائية (موجبة الشحنة - كاتيونات وشحنة سالبة - الأنيونات). اعتمادًا على الجهد المطبق بين الأقطاب الكهربائية ، يمكن للأيونات أن تتحرك داخل المادة المسامية. ومن المثير للاهتمام أن الأمر كذلك المزيد من الطاقة المخزنة في الجهاز ، يوجد المزيد من المسام داخل الأقطاب الكهربائية. إذا تجاهلت مكونات مثل العلبة ، وما إلى ذلك ، فيمكنك القول إن هذا كل شيء.

ولكن ما الذي يجعل المكثفات الفائقة واعدة للغاية توفير الطاقة؟ هذه هي المسام المذكورة سابقاً والطريقة التي تتحرك بها الأيونات. قطر وطول القنوات داخل الأقطاب المسامية أمر بالغ الأهمية. إذا كانت المسام واسعة ، فإن الجهاز يشحن بسرعة ، ولكنه يوفر القليل من الطاقة ، بينما إذا تم تقليل القطر ، يمكن توصيل المزيد من الطاقة ، ولكن الجهاز يشحن ببطء أكبر. فهل هناك أي طريقة لتسريع الأيونات في المسام الضيقة؟ كتب Svyatoslaw Kondrat ، وهو عالم في معهد الكيمياء الفيزيائية التابع لأكاديمية العلوم البولندية (IPC PAS) ، عن هذا في عدد نوفمبر من مجلة Nature Communications.

استخدم مؤلفو البحث مادة مسامية الكربون القائم يبلغ قطر مسامها أقل من نانومتر ، حيث ينبغي ملاحظة أن 1 نانومتر هو واحد من المليار من المتر. وبالتالي فإن هذه المسام صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين البشرية. تم تشريب المادة بسائل أيوني ، وهو ليس أكثر من ملح في حالة سائلة ، ولكنه لا يحتوي على مذيب مثل الماء. لذلك فإن السائل الأيوني عبارة عن ملح سائل. تملأ الأيونات من السائل الأيوني المسام وعندما يتم تطبيق جهد بين الأقطاب الكهربائية ، فإنها تبدأ في التحرك. لكن ماذا يحدث إذا استمر الاستقطاب لفترة أطول؟ هل تتحرك جميع الأيونات بنفس السرعة؟ لسوء الحظ ، تتصرف الأيونات الموجودة داخل الأقطاب الكهربائية مثل السيارات في النفق ، وتتحرك في اتجاهين متعاكسين. بالإضافة إلى ذلك ، يتحرك كل منهم في مسار واحد ، وليس عدة حارات مثل الطرق السريعة. إذا تعطلت إحدى السيارات ، تبدأ السيارات الأخرى في الفرامل. هذا يقلل من قدرة النفق وتشكيل الازدحام المروري. يحدث الشيء نفسه مع المسام الموجودة في supercapacitor تسد في الأماكن. هذا يؤدي إلى انخفاض في كفاءة الجهاز ، على وجه الخصوص إلى تقصير وقت التحميل.