با جایگزین قدرتمند و سریع باتری های لیتیوم یون آشنا شوید - ناق

تینا مزدکی: خازن ها ابزاری الکترونیکی هستند و ابر خازن ها (Supercapacitor) در طراحی های باتری مانند استفاده می گردد. ازآنجایی که باتری ها انرژی را با استفاده از واکنش های شیمیایی جابه جا می نمایند، در طول زمان خراب می شوند. عمده فناوری دنیای مدرن به شارژ باتری متکی است؛ از میلیاردها دستگاه تلفن همراه در سراسر دنیا گرفته تا خودروهای الکتریکی، اسکوترها و دوچرخه های یاریی، همه به شارژر احتیاج 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 انتها برسانند. دانشمندان مدل تازهی را برای مطالعه ابر خازن ها پیشنهاد می نمایند که روش بهتری را برای مطالعه نحوه عملکرد باتری متفاوتی ارائه می دهد.

در باتری معمولی، الکترون های آزاد به شکل یون گردش می نمایند، 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 گردد. یون ها به وسیله 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 نمایند. درنهایت با تمام شدن ذخایر الکترون ها، شارژ باتری هم تمام می گردد.

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

ابرخازن، مفهوم تازهتر و پیشرفته تری است که طراحی باتری را با فیزیک خازن ترکیب می نماید. خازن دارای دولایه ماده رسانا است که بین آن ها عایقی (مثلاً شیشه) قرار گرفته است. این عایق باعث می گردد انرژی در دو طرف انباشته گردد، اما از درون ماده عایق نگذرد. در طراحی ابرخازن، انرژی روی سطح ماده رسانا جمع می گردد 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 گردد.

مسئله آن است که همه چیز در علم باید به گونه ای مدل سازی گردد که برای محققان ملموس باشد. درواقع باید ابرخازن ها را شبیه سازی کنیم. به علت احتیاجهای 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 گردد. 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 تازه 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 نماینده شارژ طی تنها چند دقیقه استفاده کردند. این گروه از دانش موجود در خصوص الگوی جریان در منافذی مانند جریان تصفیه آب، استفاده نموده و این دانش را برای جریان انرژی روی ماده ای متخلخل به کاربرده است.

آن ها بعلاوه قانون کرشهوف را در نظر گرفته اند که زیربنای مطالعه طراحی مدار و توزیع جریان است. در الگوی تازه شارش یون ها که روی سیستمی با منافذ متعدد جریان می یابند، قانون باید تغییر پیدا می کرد تا برای مسئله ای که محققان در فکر داشتند شرح مناسبی ارائه دهد.

با در دست داشتن مدل تازه، این گروه امیدوار است که سایر محققان هم بتوانند به طراحی و آزمایش ابرخازن های تازه ادامه دهند. گوپتا بعلاوه امیدوار است که مشارکت در این پروژه به دانشمندان انرژی یاری 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