با جایگزین قدرتمند و سریع باتری های لیتیوم یون آشنا شوید

تینا مزدکی: خازن ها ابزاری الکترونیکی هستند و ابر خازن ها (Supercapacitor) در طراحی های باتری مانند استفاده می شود. ازآنجایی که باتری ها انرژی را با استفاده از واکنش های شیمیایی جابه جا می کنند، در طول زمان خراب می شوند. عمده فناوری دنیای مدرن به شارژ باتری متکی است؛ از میلیاردها دستگاه تلفن همراه در سراسر جهان گرفته تا خودروهای الکتریکی، اسکوترها و دوچرخه های کمکی، همه به شارژر نیاز دارند. در داخل این باتری های قابل شارژ، یون ها ازیک طرف به طرف دیگر منتقل می شوند تا انرژی الکتریکی را انتقال دهند (دشارژ) و برای شارژ مجدد و ذخیره سازی انرژی، این فرآیند را به شکل معکوس انجام می دهند.

اما ابرخازن ها می توانند این روند را به پایان برسانند. دانشمندان مدل جدیدی را برای مطالعه ابر خازن ها پیشنهاد می کنند که روش بهتری را برای مطالعه نحوه عملکرد باتری متفاوتی ارایه می دهد.

در باتری معمولی، الکترون های آزاد به شکل یون گردش می کنند، 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 می آیند. انرژی شارژ باتری درواقع صرف شکل گیری این یون ها و ذخیره سازی آن ها به شکل جدا از یکدیگر می شود. یون ها از طریق ماده ای که یون ها را عبور می دهد (الکترولیت) جابه جا می شوند و از مسیر ماده رسانا (سیم)، جریان الکتریکی را درون مدار برقرار می کنند. درنهایت با تمام شدن ذخایر الکترون ها، شارژ باتری هم تمام می شود.

در باتری قابل شارژ، آنیون ها می توانند الکترون ها را دوباره به دست بیاورند، به حالت اولیه بازگردند و باتری را برای چرخه جدید تولید انرژی آماده کنند؛ اما در باتری های شیمیایی معمولی نمی توان چنین کاری کرد.

ابرخازن، مفهوم جدیدتر و پیشرفته تری است که طراحی باتری را با فیزیک خازن ترکیب می کند. خازن دارای دولایه ماده رسانا است که بین آن ها عایقی (مثلاً شیشه) قرار دارد. این عایق باعث می شود انرژی در دو طرف انباشته شود، اما از درون ماده عایق نگذرد. در طراحی ابرخازن، انرژی روی سطح ماده رسانا جمع می شود و میدان الکتریکی برقرارشده بین دو طرف عایق، الکترون ها را در جای خود نگه می دارد. تفاوت کلیدی ابرخازن و باتری همین جاست: ذرات باردار به عنوان بخشی از واکنش شیمیایی از اتم ها و مولکول ها به هم نمی پیوندند و از آن ها جدا نمی شوند، درنتیجه این اتفاق باعث صرفه جویی در انرژی و جلوگیری از فرسایش در طول زمان می شود.

مسیله آن است که همه چیز در علم باید به گونه ای مدل سازی شود که برای محققان ملموس باشد. درواقع باید ابرخازن ها را شبیه سازی کنیم. به دلیل نیازهای محاسباتی بالای شبیه سازی های عددی مستقیم و فقدان شرایط مرزی سطحی برای مدل های با مرتبه کاهش یافته، تصور فعلی از شارژر به هندسه های ساده محدود می شود. به عبارت دیگر، درست مانند تحول کنسول های بازی ویدیویی، پیشرفت شبیه سازی های کامپیوتری ابرخازن ها هم پس از چند سال، شاهد ورود نسل جدید خواهد بود.

به تازگی، «آنکور گوپتا» و همکارانش در دانشگاه کلرادو، بولدر از فرمول های موجود برای ساختن روشی کارآمد برای مدل سازی 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 ماده ای متخلخل به کاربرده است.

آن ها همچنین قانون کرشهوف را در نظر گرفته اند که زیربنای مطالعه طراحی مدار و توزیع جریان است. در الگوی جدید شارش یون ها که روی سیستمی با منافذ متعدد جریان می یابند، قانون باید تغییر پیدا می کرد تا برای مسیله ای که محققان در ذهن داشتند توضیح مناسبی ارایه دهد.

با در دست داشتن مدل جدید، این گروه امیدوار است که سایر محققان هم بتوانند به طراحی و آزمایش ابرخازن های 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 ابرخازن ها در سرعت آن ها نهفته است و این که چگونه می توانیم شارژ و آزادسازی انرژی آن ها را سریع تر کنیم، به حرکت کارآمدتر یون ها بستگی دارد.

منبع: popularmechanics

54323