Vi lever i modern tid, som är full av elektronik. Smartphones, bärbara datorer, tabletter, och många andra enheter behöver elektrisk energi för att fungera. Bärbara enheter gjorde våra liv enklare, så nya lösningar inom ren energi och dess lagring är önskvärda. Litiumjonbatterier (Li-ion) är de vanligaste lösningarna som dominerar den globala marknaden och är ett stort problem på grund av deras otillräckliga återhämtning. På grund av deras begränsade kraft, kort livslängd, och icke-miljövänlig natur, Forskare fokuserade nyligen på nya lösningar som superkondensatorer som erbjuder mycket mer än batterier. Varför? Låt oss titta närmare på dessa enheter.

Superkondensatorer sammanför egenskaperna hos en standardkondensator och Li-ion-batteriet. I praktiken, dessa enheter lagrar mer energi än kondensatorer och levererar energi snabbare än batterier. Deras hemlighet ligger inuti, döljer två viktiga komponenter. Den första är två mycket porösa elektroder gjorda av materialet som leder elektricitet; dessa elektroder är åtskilda av ett membran för att förhindra en genväg. Den andra är en elektrolyt som spelar en avgörande roll i superkondensatorer. Elektrolyten har mycket joner som ligger nära varandra och fyller porerna. Det finns två typer av joner - positivt laddade som kallas katjoner och negativt laddade som kallas anjoner.

När enheten är påslagen (potentialskillnaden appliceras mellan dessa två elektroder), joner börjar färdas in och ut ur porerna (katjoner och anjoner rör sig i motsatta riktningar), och den elektriska strömmen flyter. Ett av de mest använda materialen som bibehåller porositeten är aktivt kol. Om porerna är stora, enheten laddas snabbt men lagrar låg energi. Om porerna är smala, enheten ger mer energi men laddas långsammare. Betyder det att mindre är bättre? Ja, dock, jonernas hastighet trodde att deras färd i porerna behövde accelereras.

Nyligen, en internationell grupp ledd av Svyatoslav Kondrat från Institute of Physical Chemistry, Polska vetenskapsakademin (IPC PAS) presenterade forskningsarbete som beskrev hur man kan påskynda jontransport i trånga porer. Varför? För att ladda superkondensatorn snabbare. För det första, forskare fokuserade på teorin. De presenterade slitsliknande porer med en storlek på cirka 0,6 nm, det är, 0,6 meter uppdelad i miljarder bitar, bara något större än själva jonen, medan dess längd var under 20 nm. Vilken liten storlek! Det är ännu mindre än virus.

När elektroderna är polariserade (den externa potentialen appliceras på elektroderna för att trycka joner i särskilda riktningar), jonerna utanför porerna rusar till porerna. Föreställ dig att de rör sig som bilar på en motorväg, går in i en mycket smal tunnel. Dock, istället för två, tre, eller fyra körfält i motsatta riktningar, alla körfält är sammanslagna. När bilar går fort, motorvägen är mycket trångt, och de kan snabbt blockera tunneln och fastna i trafiken. Samma sak händer med joner. När potentialskillnaden som appliceras på en elektrod varieras för snabbt, joner som kommer in i elektrodens porer blockerar jonerna som försöker lämna porerna. På det här sättet, porerna är igensatta. Vad betyder det i praktiken?

De dåliga nyheterna, det betyder långsammare laddning (lägre effekttäthet) av superkondensatorn. Forskarna föreslog lösningen:Låt oss inte trycka joner för snabbt men, väl, inte heller för långsamt; låt oss justera hastigheten med en liten steghastighet. Baserat på deras idé, de utförde flera komplexa datorsimuleringar som gav lovande resultat. Det var en teori. Hur är det med praktiken? Svyatoslav Kondrat säger, "Vi hade simuleringsresultaten, och vi var nyfikna på hur det fungerar i praktiken." Experiment utförda i Volker Presser (INM, Saarbrücken) använde mycket porösa elektroder fyllda med joner. Forskare har visat att joner kan resa snabbare utan att porerna täpps till när de behandlas med små elektriska impulser istället för plötslig laddning eller urladdning. Den här vägen, de hittade hur man kan accelerera laddnings- och urladdningsprocesserna även om elektrodens porer är så smala som bara 0,6 nm. Forskningen gjordes i ett internationellt samarbete och rapporterades den 30 november i tidskriften Naturkommunikation.

Svyatoslav Kondrat säger, "Resultaten är uppmuntrande. Det är spännande att även urladdningen kan påskyndas. Det är som att få dina bilar att lämna tunneln snabbare, även om du bara har kontroll över bilarna utanför tunneln. Detta är relevant för vissa processer som kapacitiv vattenavsaltning, där drifthastigheten är mycket viktig”.

Deras resultat öppnar upp för nya möjligheter att oerhört accelerera laddning och urladdning även i subnanometerporer. Detta tillvägagångssätt för den nya lösningsapplikationen kan ge en ny väg för mer utbredd användning av dessa miljövänliga elektrokemiska anordningar.