با جایگزین قدرتمند و سریع باتری‌های لیتیوم‌یون آشنا شوید

تینا مزدکی: خازن‌ها ابزاری الکترونیکی هستند و ابر خازن‌ها (Supercapacitor) در طراحی‌های باتری‌مانند استفاده می‌شود. ازآنجایی‌که باتری‌ها انرژی را با استفاده از واکنش‌های شیمیایی جابه‌جا می‌کنند، در طول زمان خراب می‌شوند. عمده فناوری دنیای مدرن به شارژ باتری متکی است؛ از میلیاردها دستگاه تلفن همراه در سراسر جهان گرفته تا خودروهای الکتریکی، اسکوترها و دوچرخه‌های کمکی، همه به شارژر نیاز دارند. در داخل این باتری‌های قابل شارژ، یون‌ها ازیک‌طرف به‌طرف دیگر منتقل می‌شوند تا انرژی الکتریکی را انتقال دهند (دشارژ) و برای شارژ مجدد و ذخیره‌سازی انرژی، این فرآیند را به شکل معکوس انجام می‌دهند.

اما ابرخازن‌ها می‌توانند این روند را به پایان برسانند. دانشمندان مدل جدیدی را برای مطالعه ابر خازن‌ها پیشنهاد می‌کنند که روش بهتری را برای مطالعه نحوه عملکرد باتری متفاوتی ارائه می‌دهد.

در باتری معمولی، الکترون‌های آزاد به شکل یون‌ گردش می‌کنند، بدین معنا که با افزوده شدن الکترون به اتمی خنثی یا کنده شدن الکترون از آن، ذراتی با بار الکتریکی مثبت (یون مثبت، کاتیون) یا منفی (آنیون) پدید می‌آیند. انرژی شارژ باتری درواقع صرف شکل‌گیری این یون‌ها و ذخیره‌سازی آن‌ها به شکل جدا از یکدیگر می‌شود. یون‌ها از طریق ماده‌ای که یون‌ها را عبور می‌دهد (الکترولیت) جابه‌جا می‌شوند و از مسیر ماده رسانا (سیم)، جریان الکتریکی را درون مدار برقرار می‌کنند. درنهایت با تمام شدن ذخایر الکترون‌ها، شارژ باتری هم تمام می‌شود.

در باتری قابل شارژ، آنیون‌ها می‌توانند الکترون‌ها را دوباره به دست بیاورند، به حالت اولیه بازگردند و باتری را برای چرخه جدید تولید انرژی آماده کنند؛ اما در باتری‌های شیمیایی معمولی نمی‌توان چنین کاری کرد.

ابرخازن، مفهوم جدیدتر و پیشرفته‌تری است که طراحی باتری را با فیزیک خازن ترکیب می‌کند. خازن دارای دولایه ماده رسانا است که بین آن‌ها عایقی (مثلاً شیشه) قرار دارد. این عایق باعث می‌شود انرژی در دو طرف انباشته شود، اما از درون ماده عایق نگذرد. در طراحی ابرخازن، انرژی روی سطح ماده رسانا جمع می‌شود و میدان الکتریکی برقرارشده بین دو طرف عایق، الکترون‌ها را در جای خود نگه می‌دارد. تفاوت کلیدی ابرخازن و باتری همین‌جاست: ذرات باردار به‌عنوان بخشی از واکنش شیمیایی از اتم‌ها و مولکول‌ها به هم نمی‌پیوندند و از آن‌ها جدا نمی‌شوند، درنتیجه این اتفاق باعث صرفه‌جویی در انرژی و جلوگیری از فرسایش در طول زمان می‌شود.

مسئله آن است که همه‌چیز در علم باید به‌گونه‌ای مدل‌سازی شود که برای محققان ملموس باشد. درواقع باید ابرخازن‌ها را شبیه‌سازی کنیم. به دلیل نیازهای محاسباتی بالای شبیه‌سازی‌های عددی مستقیم و فقدان شرایط مرزی سطحی برای مدل‌های با مرتبه کاهش‌یافته، تصور فعلی از شارژر به هندسه‌های ساده محدود می‌شود. به‌عبارت‌دیگر، درست مانند تحول کنسول‌های بازی ویدیویی، پیشرفت شبیه‌سازی‌های کامپیوتری ابرخازن‌ها هم پس از چند سال، شاهد ورود نسل جدید خواهد بود.

به‌تازگی، «آنکور گوپتا» و همکارانش در دانشگاه کلرادو، بولدر از فرمول‌های موجود برای ساختن روشی کارآمد برای مدل‌سازی هزاران منفذ سطحی ذخیره کننده شارژ طی تنها چند دقیقه استفاده کردند. این گروه از دانش موجود در مورد الگوی جریان در منافذی مانند جریان تصفیه آب، استفاده کرده و این دانش را برای جریان انرژی روی ماده‌ای متخلخل به‌کاربرده است.

آن‌ها همچنین قانون کرشهوف را در نظر گرفته‌اند که زیربنای مطالعه طراحی مدار و توزیع جریان است. در الگوی جدید شارش یون‌ها که روی سیستمی با منافذ متعدد جریان می‌یابند، قانون باید تغییر پیدا می‌کرد تا برای مسئله‌ای که محققان در ذهن داشتند توضیح مناسبی ارائه دهد.

با در دست داشتن مدل جدید، این گروه امیدوار است که سایر محققان هم بتوانند به طراحی و آزمایش ابرخازن‌های جدید ادامه دهند. گوپتا همچنین امیدوار است که مشارکت در این پروژه به دانشمندان انرژی کمک کند تا آینده ما را بهبود بخشند. او بر این باور است که جذابیت اصلی ابرخازن‌ها در سرعت آن‌ها نهفته است و این‌که چگونه می‌توانیم شارژ و آزادسازی انرژی آن‌ها را سریع‌تر کنیم، به حرکت کارآمدتر یون‌ها بستگی دارد.

منبع: popularmechanics

۵۴۳۲۳