מנהרת יונים סופר מהירה

אנו חיים בעולם מודרני ומלא במכשירים הפועלים על חשמל. פיתוח טכנולוגיות חדשות מבטיח כי טלפונים סלולריים, מחשבים ניידים, טאבלטים ומכשירים ניידים רבים אחרים נמצאים איתנו בכל צעד ושעל. סוללות ליתיום-יון, מה שמכונה סוללות נטענת ליתיום, משמשות לרוב להפעלת מכשירים ניידים, אך בשל טעינה איטית, חיי שירות קצרים וזיהום סביבתי (בגלל התכולה הגבוהה של מתכות כבדות, למשל קובלט), יותר ויותר תשומת לב מוקדשת קבלים סופר מְכוּוָן. אלה מכשירים בעלי תכונות של סוללות und קבלים לְשַׁלֵב. למה זה קשור? חיי שירות ארוכים יותר, מיחזור קל יותר ובעיקר טעינה מהירה יותר, מה שאומר חיסכון בזמן. אחרי הכל, זמן הוא כסף.

מקור תמונה: Pixabay

היתרונות של קבלים סופר שוכבים במבנה שלהם, המורכב משני אלמנטים בסיסיים. הראשונה היא מערכת של שתי אלקטרודות נקבוביות ביותר המופרדות זו מזו על ידי חומר נקבובי המגן עליהן מפני מעגלים קצרים. לרוב, חלק זה של קבלים-העל מיוצר על בסיס פחמן פעיל, המשמש במכשירים אלה מסיבה כלשהי. בנקבוביותיו נמצא מרכיב המפתח השני של קבלים-העל - האלקטרוליט, המכיל יונים, כלומר אטומים שניחנים במטען חשמלי (טעון חיובי - קטיונים ומטענים שליליים - אניונים). בהתאם למתח המופעל בין האלקטרודות, היונים יכולים לנוע בתוך החומר הנקבובי. מעניין שגם יכול יותר אנרגיה המאוחסנים במכשיר, ככל שיש יותר נקבוביות בתוך האלקטרודות. אם אתה מתעלם מרכיבים כמו המקרה וכו ', אתה יכול לומר שזה הכל.

אבל מה הופך את קבלים-העל למבטיחים כל כך אחסון אנרגיה? אלה הנקבוביות שהוזכרו קודם והדרך בה היונים נעים. הקוטר והאורך של התעלות בתוך האלקטרודות הנקבוביות הוא קריטי. אם הנקבוביות רחבות, המכשיר נטען במהירות אך מספק מעט אנרגיה, ואילו אם הקוטר מצטמצם, ניתן לספק יותר אנרגיה, אך המכשיר נטען הרבה יותר לאט. אז האם יש דרך להאיץ יונים בנקבוביות צרות? סוויאטוסלב קונדראט, מדען במכון לכימיה פיזיקלית של האקדמיה הפולנית למדעים (IPC PAS), כתב על כך בגיליון נובמבר של כתב העת Nature Communications.

מחברי המחקר השתמשו בחומר נקבובי בסיס פחמן בקוטר נקבוביות של פחות מננומטר אחד, לפיו יש לציין כי 1 ננומטר הוא מיליארד מטר. לכן הנקבוביות הללו כה קטנות עד כי לא ניתן לראות אותן בעין האנושית. החומר הושרה בנוזל יוני, שאינו אלא מלח במצב נוזלי, אך אינו מכיל ממס כמו מים. הנוזל היוני הוא אפוא מלח נוזלי. היונים מהנוזל היוני ממלאים את הנקבוביות וכאשר מפעילים מתח בין האלקטרודות, הם מתחילים לנוע. אבל מה קורה אם הקיטוב נמשך זמן רב יותר? האם כל היונים נעים באותה מהירות? למרבה הצער, היונים שבתוך האלקטרודות מתנהגים כמו מכוניות במנהרה, נעים בכיוונים מנוגדים. בנוסף, כל אחד מהם נע בנתיב אחד, לא כמה כמו בכביש מהיר. אם אפילו מכונית אחת נתקעת, האחרות מתחילות לבלום. זה מקטין את קיבולת המנהרה ויוצר פקק תנועה. אותו דבר קורה עם הנקבוביות שנמצאות ב קבלים סופר לסתום במקומות. זה מוביל להפחתת היעילות של המכשיר, בפרט ל קיצור זמן הטעינה.