В работе, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи из Университета Колорадо, из лаборатории Анкура Гупты показали, как ионы движутся внутри сложной сети мельчайших пор.
Можно ли зарядить электромобиль за 10 минут? Ученые отвечают: да
Ученые из Университета Колорадо разработали новую теорию зарядки суперконденсаторов, которая позволит накапливать и раздавать энергию максимально быстро. Ученые считают, что на новых принципах можно построить не только зарядку для электромобиля, но крупные хранилища энергии.
Зарядная станция Tesla. Википедия
Чтобы разработать такую быструю зарядку, пришлось немного поправить закон Кирхгофа, которому скоро 200 лет.
Этот результат может привести к разработке эффективных устройств хранения энергии, таких как суперконденсаторы, говорит Гупта: «Учитывая решающую роль энергии в будущем планеты, я попробовал применить свои знания в области химической инженерии для разработки устройств хранения энергии. Мне казалось, что эта тема недостаточно изучена».
Гупта отмечает, что различные методы, которые используются для описания потока в пористых материалах, таких как устройства фильтрации воды, не нашли пока применения в системах хранения энергии.
Суперконденсаторы
Эволюция во времени слева направо безразмерного электрохимического потенциала заряда φ* для треугольной решетки с 30 входами
Суперконденсаторы — это, устройства хранения энергии, которые основаны на накоплении ионов в порах материалов. Они заряжаются гораздо быстрее и умеют более длительный срок службы по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.
«Основное преимущество суперконденсаторов заключается в их скорости», — говорит Гупта. «Мы задались вопросом: как нам ускорить их зарядку и процесс выдачи энергии? И ответили на него: за счет более эффективного движения ионов».
Результаты ученых несколько модифицируют закон Кирхгофа, который управляет течением тока в электрических цепях. Он был сформулирован еще в 1845 году и его изучают в средней школе. В новой работе ученые показали, что в отличие от электронов, ионы движутся как за счет электрических полей, так и за счет диффузии. Исследователи показали, что движение в местах пересечения пор отличается от движения электронов в узлах электрической цепи по закону Кирхгофа.
До нового исследования было изучено движение ионов только в одной прямой поре. В новой работе ученые описали движение ионов в сложной сети из тысяч взаимосвязанных пор. Теперь его можно смоделировать и предсказать.
Ученые показывают, как модифицируя поры, можно ускорить движение ионов, и тем самым ускорить и зарядку и раздачу энергии.
Аккумуляторные батареи крупного хранилища энергии
Это открытие имеет важное значение не только для хранения энергии в транспортных средствах и электронных устройствах, но и для крупных электросетей, где спрос на энергию сильно колеблется в течение суток. Здесь нужны мощные устройств накопления огромной энергии, чтобы избежать потерь в периоды малого спроса. Ученые считают, что построенная ими теория поможет создавать такие крупные хранилища энергии.