تعتمد الحياة الحديثة على الكهرباء والأجهزة الكهربائية، من السيارات والحافلات إلى الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، إلى الأنظمة الكهربائية في المنازل. خلف العديد من هذه الأجهزة يوجد نوع من أجهزة تخزين الطاقة، وهو المكثف الفائق. يعمل فريقي من المهندسين على جعل هذه المكثفات الفائقة أفضل في تخزين الطاقة من خلال دراسة كيفية تخزينها للطاقة على المستوى النانوي.
المكثفات الفائقة، مثل البطاريات، هي أجهزة لتخزين الطاقة. يتم شحنها بشكل أسرع من البطاريات، غالبًا خلال بضع ثوانٍ إلى دقيقة، ولكنها تخزن طاقة أقل بشكل عام. يتم استخدامها في الأجهزة التي تتطلب تخزين أو توفير دفعة من الطاقة خلال فترة زمنية قصيرة. في سيارتك وفي المصاعد، يمكن أن تساعد في استعادة الطاقة أثناء الكبح لإبطاء السرعة. فهي تساعد في تلبية الطلب المتقلب على الطاقة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات، كما أنها تعمل على استقرار أحمال الطاقة في الشبكات الكهربائية.
تعمل البطاريات عبر التفاعلات التي تعطي فيها الأنواع الكيميائية أو تأخذ الإلكترونات. وعلى النقيض من ذلك، لا تعتمد المكثفات الفائقة على التفاعلات وهي تشبه نوعًا ما إسفنجة الشحن. عندما تغمس إسفنجة في الماء، فإنها تمتص الماء لأن الإسفنجة مسامية – فهي تحتوي على مسام فارغة حيث يمكن امتصاص الماء. تمتص أفضل المكثفات الفائقة معظم الشحنات لكل وحدة حجم، مما يعني أنها تتمتع بقدرة عالية على تخزين الطاقة دون أن تشغل مساحة كبيرة.
في بحث نُشر في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences في مايو 2024، قمت أنا وطالبي فيليب هنريك ومعاوننا باول زوك بوصف كيفية تحرك الأيونات في شبكة من المسام النانوية، أو المسام الصغيرة التي لا يزيد عرضها عن نانومتر. يمكن لهذا البحث يومًا ما تحسين قدرات تخزين الطاقة للمكثفات الفائقة.
كل شيء عن المسام
يمكن للعلماء زيادة سعة المادة، أو قدرتها على تخزين الشحنة، عن طريق جعل سطحها مساميًا على مقياس النانو. يمكن أن تصل مساحة سطح المادة المسامية النانوية إلى 20 ألف متر مربع (215278 قدمًا مربعًا) – أي ما يعادل حوالي أربعة ملاعب كرة قدم – بوزن 10 جرامات فقط (ثلث أونصة).
على مدار العشرين عامًا الماضية، درس الباحثون كيفية التحكم في هذه البنية المسامية وتدفق الأيونات، وهي جزيئات صغيرة مشحونة، عبر المادة. إن فهم تدفق الأيونات يمكن أن يساعد الباحثين على التحكم في معدل شحن المكثف الفائق وإطلاق الطاقة.
لكن الباحثين ما زالوا لا يعرفون بالضبط كيفية تدفق الأيونات داخل وخارج المواد المسامية.
كل مسام في ورقة من المواد المسامية عبارة عن ثقب صغير مملوء بالأيونات الموجبة والسالبة. تتصل فتحة المسام بخزان من الأيونات الموجبة والسالبة. تأتي هذه الأيونات من المنحل بالكهرباء، وهو سائل موصل.
على سبيل المثال، إذا وضعت ملحًا في الماء، فإن كل جزيء ملح ينفصل إلى أيون صوديوم موجب الشحنة وأيون كلوريد سالب الشحنة.
عندما يتم شحن سطح المسام، تتدفق الأيونات من الخزان إلى المسام أو العكس. إذا كان السطح مشحونًا بشحنة موجبة، فإن الأيونات السالبة تتدفق إلى المسام من الخزان، وتترك الأيونات المشحونة إيجابيًا المسام أثناء صدها. يشكل هذا التدفق المكثفات، التي تحافظ على الشحنة في مكانها وتخزن الطاقة. عندما يتم تفريغ الشحنة السطحية، تتدفق الأيونات في الاتجاه المعاكس ويتم إطلاق الطاقة.
الآن، تخيل أن المسام ينقسم إلى مسامتين متفرعتين مختلفتين. كيف تتدفق الأيونات من المسام الرئيسي إلى هذه الفروع؟
فكر في الأيونات كالسيارات والمسام كالطرق. إن تدفق حركة المرور على طريق واحد واضح ومباشر. ولكن عند التقاطع، تحتاج إلى قواعد لمنع وقوع حادث أو ازدحام مروري، لذلك لدينا إشارات مرور ودوارات. ومع ذلك، فإن العلماء لا يفهمون تمامًا القواعد التي تتبعها الأيونات التي تتدفق عبر الوصلات. إن معرفة هذه القواعد يمكن أن يساعد الباحثين على فهم كيفية شحن المكثف الفائق.
تعديل قانون الفيزياء
يستخدم المهندسون عمومًا مجموعة من قوانين الفيزياء تسمى “قوانين كيرتشوف” لتحديد توزيع التيار الكهربائي عبر الوصلة. ومع ذلك، تم اشتقاق قوانين دائرة كيرشوف لنقل الإلكترون، وليس لنقل الأيونات.
تتحرك الإلكترونات فقط عندما يكون هناك مجال كهربائي، لكن الأيونات يمكن أن تتحرك بدون مجال كهربائي، من خلال الانتشار. بنفس الطريقة التي تذوب فيها قليل من الملح ببطء في كوب من الماء، تنتقل الأيونات من المناطق الأكثر تركيزًا إلى المناطق الأقل تركيزًا.
تشبه قوانين كيرشوف المبادئ المحاسبية لتقاطعات الدوائر. ينص القانون الأول على أن التيار الداخل إلى التقاطع يجب أن يساوي التيار الخارج منه. ينص القانون الثاني على أن الجهد، وهو الضغط الذي يدفع الإلكترونات عبر التيار، لا يمكن أن يتغير فجأة عبر الوصلة. وإلا فإنه سيخلق تيارًا إضافيًا ويخل بالتوازن.
وبما أن الأيونات تتحرك أيضًا عن طريق الانتشار، وليس فقط عن طريق استخدام المجال الكهربائي، فقد قام فريقي بتعديل قوانين كيرشوف لتتناسب مع التيارات الأيونية. لقد استبدلنا الجهد V بالجهد الكهروكيميائي φ الذي يجمع بين الجهد والانتشار. سمح لنا هذا التعديل بتحليل شبكات المسام، وهو الأمر الذي كان مستحيلاً في السابق.
استخدمنا قانون كيرتشوف المعدل لمحاكاة كيفية تدفق الأيونات عبر شبكة كبيرة من المسام النانوية والتنبؤ بها.
الطريق أمامنا
وجدت دراستنا أن تقسيم التيار من المسام إلى الوصلات يمكن أن يبطئ سرعة تدفق الأيونات المشحونة إلى المادة. لكن ذلك يعتمد على مكان الانقسام. وتؤثر كيفية ترتيب هذه المسام في جميع أنحاء المواد على سرعة الشحن أيضًا.
يفتح هذا البحث أبوابًا جديدة لفهم المواد الموجودة في المكثفات الفائقة وتطوير مواد أفضل.
على سبيل المثال، يمكن لنموذجنا أن يساعد العلماء على محاكاة شبكات المسام المختلفة لمعرفة أي منها يتوافق بشكل أفضل مع بياناتهم التجريبية وتحسين المواد التي يستخدمونها في المكثفات الفائقة.
وبينما ركز عملنا على الشبكات البسيطة، يمكن للباحثين تطبيق هذا النهج على شبكات أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا لفهم كيفية تأثير البنية المسامية للمادة على أدائها بشكل أفضل.
في المستقبل، يمكن تصنيع المكثفات الفائقة من مواد قابلة للتحلل الحيوي، وأجهزة قابلة للارتداء، ويمكن تخصيصها من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد. يعد فهم تدفق الأيونات خطوة أساسية نحو تحسين المكثفات الفائقة للإلكترونيات الأسرع.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: أنكور غوبتا، جامعة كولورادو بولدر
اقرأ أكثر:
أنكور غوبتا يتلقى التمويل من NSF.