Das moderne Leben ist auf Elektrizität und Elektrogeräte angewiesen, von Autos und Bussen über Telefone und Laptops bis hin zu elektrischen Heimsystemen. Hinter vielen dieser Geräte steckt eine Art Energiespeicher, der Superkondensator. Mein Ingenieursteam arbeitet daran, diese Superkondensatoren bei der Energiespeicherung noch effizienter zu machen, indem es untersucht, wie sie Energie im Nanomaßstab speichern.
Superkondensatoren sind wie Batterien Energiespeicher. Sie laden sich schneller auf als Batterien, oft in Sekunden bis einer Minute, speichern aber im Allgemeinen weniger Energie. Sie werden in Geräten verwendet, die über einen kurzen Zeitraum Energie speichern oder abgeben müssen. In Ihrem Auto und in Aufzügen können sie dabei helfen, beim Bremsen Energie zurückzugewinnen, um langsamer zu werden. Sie tragen dazu bei, den schwankenden Energiebedarf von Laptops und Kameras zu decken und die Energiebelastung der Stromnetze zu stabilisieren.
Batterien funktionieren über Reaktionen, bei denen chemische Spezies Elektronen abgeben oder aufnehmen. Superkondensatoren hingegen sind nicht auf Reaktionen angewiesen und ähneln ein wenig einem Ladeschwamm. Wenn Sie einen Schwamm in Wasser tauchen, nimmt er Wasser auf, weil der Schwamm porös ist – er enthält leere Poren, in denen Wasser absorbiert werden kann. Die besten Superkondensatoren absorbieren die meiste Ladung pro Volumeneinheit, was bedeutet, dass sie über eine große Energiespeicherkapazität verfügen, ohne zu viel Platz einzunehmen.
In einer im Mai 2024 in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Studie beschreiben mein Student Filipe Henrique, mein Mitarbeiter Pawel Zuk und ich, wie sich Ionen in einem Netzwerk von Nanoporen oder winzigen Poren mit einer Größe von nur wenigen Nanometern bewegen. Diese Forschung könnte eines Tages die Energiespeicherfähigkeiten von Superkondensatoren verbessern.
Alles über Poren
Wissenschaftler können die Kapazität eines Materials oder seine Fähigkeit, Ladungen zu speichern, erhöhen, indem sie seine Oberfläche im Nanomaßstab porös machen. Ein nanoporöses Material kann bei nur 10 Gramm (einer Drittelunze) Gewicht eine Oberfläche von bis zu 20.000 Quadratmetern (215.278 Quadratfuß) haben – das entspricht etwa vier Fußballfeldern.
In den letzten 20 Jahren haben Forscher untersucht, wie diese poröse Struktur und der Fluss von Ionen, das sind winzige geladene Teilchen, durch das Material kontrolliert werden kann. Das Verständnis des Ionenflusses kann Forschern dabei helfen, die Geschwindigkeit zu kontrollieren, mit der ein Superkondensator Energie auflädt und freigibt.
Doch die Forscher wissen immer noch nicht genau, wie sich Ionen in poröse Materialien hinein und aus ihnen heraus bewegen.
Jede Pore in einer Schicht poröser Materialien ist ein kleines Loch, das mit positiven und negativen Ionen gefüllt ist. Die Öffnung der Pore stellt eine Verbindung zu einem Reservoir positiver und negativer Ionen her. Diese Ionen stammen aus einem Elektrolyten, einer leitenden Flüssigkeit.
Wenn man beispielsweise Salz in Wasser gibt, zerfällt jedes Salzmolekül in ein positiv geladenes Natriumion und ein negativ geladenes Chloridion.
Wenn die Porenoberfläche aufgeladen ist, fließen Ionen vom Reservoir zur Pore oder umgekehrt. Ist die Oberfläche positiv geladen, strömen negative Ionen aus dem Reservoir in die Poren und positiv geladene Ionen verlassen die Poren bei Abstoßung. Dieser Fluss bildet Kondensatoren, die die Ladung an Ort und Stelle halten und die Energie speichern. Beim Entladen der Oberflächenladung fließen die Ionen in die entgegengesetzte Richtung und es wird Energie freigesetzt.
Stellen Sie sich nun vor, dass sich eine Pore in zwei verschiedene verzweigte Poren teilt. Wie fließen Ionen von der Hauptpore zu diesen Zweigen?
Stellen Sie sich Ionen als Autos und Poren als Straßen vor. Das Fahren auf einer einzelnen Straße ist einfach. Aber an einer Kreuzung braucht es Regeln, um einen Unfall oder einen Stau zu vermeiden, deshalb gibt es bei uns Ampeln und Kreisverkehre. Allerdings verstehen Wissenschaftler die Regeln, denen der Ionenfluss durch eine Verbindungsstelle folgt, nicht vollständig. Das Verständnis dieser Regeln könnte Forschern helfen zu verstehen, wie ein Superkondensator aufgeladen wird.
Ändere ein physikalisches Gesetz
Ingenieure verwenden in der Regel eine Reihe physikalischer Gesetze, die „Kirchoffschen Gesetze“ genannt werden, um die Verteilung des elektrischen Stroms an einer Verbindungsstelle zu bestimmen. Allerdings wurden Kirchhoffs Schaltkreisgesetze für den Elektronentransport und nicht für den Ionentransport abgeleitet.
Elektronen bewegen sich nur, wenn ein elektrisches Feld vorhanden ist, Ionen können sich jedoch durch Diffusion auch ohne elektrisches Feld bewegen. So wie sich eine Prise Salz langsam in einem Glas Wasser auflöst, wandern Ionen von stärker konzentrierten Bereichen zu weniger konzentrierten Bereichen.
Kirchhoffs Gesetze sind wie Rechnungslegungsgrundsätze für Stromkreisverbindungen. Das erste Gesetz besagt, dass der Strom, der in einen Knotenpunkt eintritt, gleich dem Strom sein muss, der ihn verlässt. Das zweite Gesetz besagt, dass sich die Spannung, der Druck, der Elektronen durch den Strom drückt, an einem Übergang nicht abrupt ändern kann. Andernfalls würde es zusätzlichen Strom erzeugen und das Gleichgewicht stören.
Da sich Ionen auch durch Diffusion und nicht nur durch die Verwendung eines elektrischen Feldes bewegen, hat mein Team die Kirchhoffschen Gesetze geändert, um sie an Ionenströme anzupassen. Wir haben die Spannung V durch eine elektrochemische Spannung φ ersetzt, die Spannung und Diffusion kombiniert. Diese Modifikation ermöglichte die Analyse von Porennetzwerken, was bisher nicht möglich war.
Wir haben das modifizierte Kirchhoffsche Gesetz verwendet, um zu simulieren und vorherzusagen, wie Ionen durch ein großes Netzwerk von Nanoporen fließen.
Der Weg, dem es zu folgen gilt
Unsere Studie ergab, dass die Aufteilung des Porenstroms in Verbindungsstellen die Geschwindigkeit verlangsamen kann, mit der geladene Ionen in das Material eindringen. Aber es kommt darauf an, wo die Spaltung ist. Und auch die Anordnung dieser Poren in den Materialien beeinflusst die Ladegeschwindigkeit.
Diese Forschung eröffnet neue Möglichkeiten für das Verständnis von Superkondensatormaterialien und die Entwicklung besserer Materialien.
Unser Modell kann Wissenschaftlern beispielsweise dabei helfen, verschiedene Porennetzwerke zu simulieren, um herauszufinden, welches am besten zu ihren experimentellen Daten passt, und um die Materialien zu optimieren, die sie in Superkondensatoren verwenden.
Während sich unsere Arbeit auf einfache Netzwerke konzentrierte, könnten Forscher diesen Ansatz auf viel größere und komplexere Netzwerke anwenden, um besser zu verstehen, wie sich die poröse Struktur eines Materials auf seine Leistung auswirkt.
In Zukunft könnten Superkondensatoren aus biologisch abbaubaren Materialien hergestellt werden, flexible tragbare Geräte mit Strom versorgen und durch 3D-Druck anpassbar sein. Das Verständnis des Ionenflusses ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung von Superkondensatoren für eine schnellere Elektronik.
Dieser Artikel wurde von The Conversation erneut veröffentlicht, einer unabhängigen, gemeinnützigen Nachrichtenorganisation, die Ihnen vertrauenswürdige Fakten und Analysen liefert, die Ihnen helfen, unsere komplexe Welt zu verstehen. Es wurde geschrieben von: Ankur Gupta, Universität von Colorado Boulder
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