شارژ وسایل الکترونیکی تنها در ۶۰ ثانیه!

در مطالعه‌ای که به تازگی منتشر شده است، مهندسان شیمی درک بسیار مهمی را در مورد نحوه حرکت ذرات باردار به نام یون از طریق منافذ ریز درون یک ابرخازن که یک دستگاه ذخیره‌سازی انرژی با پتانسیل شارژ سریع‌تر نسبت به باتری‌های معمولی است، کشف کردند.

به نقل از اس‌اف، آنکور گوپتا(Ankur Gupta)، استادیار مهندسی شیمی و بیولوژیکی می‌گوید: جذابیت اصلی ابرخازن‌ها در سرعت آنها نهفته است. پس چگونه می‌توانیم شارژ و آزادسازی انرژی آنها را سریع‌تر کنیم؟ با حرکت کارآمدتر یون‌ها.

تیم گوپتا حرکت یون‌ها را از طریق شبکه پیچیده‌ای از منافذ ریز به هم پیوسته تجزیه و تحلیل کرد و نحوه جریان آنها را در عرض چند دقیقه در هزاران مسیر مدلسازی کرد. یافته‌های آنها یک قانون علمی را بهبود می‌بخشد که بیش از ۱۷۵ سال بر جریان‌های الکتریکی حاکم بوده است.

قانون مدار کیرشهوف که در کلاس‌های فیزیک دبیرستان تدریس می‌شود، جریان الکترون‌ها را در یک حلقه سیم کشی ساده توصیف می‌کند. با این حال، گوپتا دریافت که یون‌ها، که از نظر فیزیکی بزرگ‌تر از الکترون‌ها هستند، در تقاطع حفره‌های کوچک در مقیاس نانو در مقایسه با الکترون‌ها به روشی متفاوت حرکت می‌کنند.

محققان توضیح می‌دهند که برخلاف الکترون‌ها، یون‌ها هم به دلیل وجود میدان‌های الکتریکی و هم به دلیل وجود پدیده انتشار حرکت می‌کنند. آنها تشخیص دادند که این حرکت در تقاطع منافذ با آنچه قانون کیرشهوف توصیف می‌کند متفاوت است. در حالی که اصول کیرشهوف هنوز برای مدارهای الکترونیکی معمولی با جریان الکترونی معتبر است، مدل به روز شده گوپتا برای درک و بهینه‌سازی عملکرد ابرخازن‌ها و دیگر سیستم‌های ذخیره انرژی که با انتقال یون‌ها از طریق مواد متخلخل کار می‌کنند، حیاتی است.

محققان خاطرنشان می‌کنند که مطالعات قبلی فقط حرکات یونی را که از طریق یک منفذ مستقیم جریان می‌یابد، توصیف کرده‌اند. مطالعه جدید ثابت می‌کند که حرکت یون را می‌توان از طریق شبکه پیچیده‌ای از هزاران منافذ به هم پیوسته در عرض چند دقیقه پیش بینی کرد. همه اینها می‌تواند منجر به پیشرفت‌های اساسی در طراحی شارژرها چه بزرگ و چه کوچک شود.

گوپتا می‌گوید: این یک گام بزرگ است. ما حلقه گم شده را پیدا کردیم.

ذخیره انرژی کارآمدتر می‌تواند به شبکه‌های برق کمک کند تا نوسانات تقاضا را بهتر مدیریت کنند و به سرعت ذخایر را در دوره‌های اوج مصرف به کار گیرند و از اتلاف در زمان مصرف کم جلوگیری کنند. همچنین می‌تواند وسایل نقلیه برقی را قادر سازد تا باتری‌های خود را تقریبا به همان سرعتی که برای بنزین زدن توقف می‌کنند، شارژ کنند و مانع اصلی در تغییر از سوخت‌های فسیلی به برق را از بین ببرند.