Stellen Sie sich vor, Ihr leerer Laptop oder Telefon ließe sich innerhalb einer Minute aufladen oder ein Elektroauto könnte in 10 Minuten wieder vollständig aufgeladen werden.
Obwohl dies derzeit noch nicht möglich ist, könnten neue Forschungsergebnisse eines Wissenschaftlerteams der CU Boulder möglicherweise zu solchen Fortschritten führen.
Heute erschienen im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaftenhaben Forscher im Labor von Ankur Gupta entdeckt, wie sich winzige geladene Teilchen, sogenannte Ionen, in einem komplexen Netzwerk winziger Poren bewegen. Der Durchbruch könnte zur Entwicklung effizienterer Energiespeicher wie Superkondensatoren führen, sagte Gupta, ein Assistenzprofessor für chemische und biologische Verfahrenstechnik.
„Angesichts der entscheidenden Rolle der Energie für die Zukunft unseres Planeten fühlte ich mich inspiriert, mein Wissen im Bereich der chemischen Verfahrenstechnik für die Weiterentwicklung von Energiespeichern einzusetzen“, sagte Gupta. „Ich hatte das Gefühl, dass das Thema noch nicht ausreichend erforscht war und sich daher die perfekte Gelegenheit bot.“
Gupta erläuterte, dass verschiedene chemische Verfahrenstechniken zum Einsatz kommen, um die Strömung in porösen Materialien wie Ölreservoirs und Wasserfiltern zu untersuchen, diese würden in manchen Energiespeichersystemen jedoch noch nicht voll ausgeschöpft.
Zeitliche Entwicklung des dimensionslosen elektrochemischen Ladungspotentials φ* für ein Dreiecksgitter mit 30 Einlässen. Bildnachweis: Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2401656121
Die Entdeckung ist nicht nur für die Energiespeicherung in Fahrzeugen und elektronischen Geräten von Bedeutung, sondern auch für Stromnetze, wo die schwankende Energienachfrage eine effiziente Speicherung erfordert, um in Zeiten geringer Nachfrage Verschwendung zu vermeiden und in Zeiten hoher Nachfrage eine schnelle Versorgung zu gewährleisten.
Superkondensatoren sind Energiespeicher, die auf der Ansammlung von Ionen in ihren Poren beruhen. Sie verfügen im Vergleich zu Batterien über schnelle Ladezeiten und eine längere Lebensdauer.
„Der größte Vorteil von Superkondensatoren liegt in ihrer Geschwindigkeit“, sagte Gupta. „Wie können wir also ihre Aufladung und Energieabgabe beschleunigen? Durch die effizientere Bewegung von Ionen.“
Ihre Ergebnisse modifizieren das Kirchhoffsche Gesetz, das seit 1845 den Stromfluss in elektrischen Schaltkreisen regelt und ein fester Bestandteil des naturwissenschaftlichen Unterrichts von Gymnasiasten ist. Im Gegensatz zu Elektronen bewegen sich Ionen sowohl aufgrund elektrischer Felder als auch aufgrund von Diffusion, und die Forscher stellten fest, dass ihre Bewegungen an Porenübergängen anders sind als im Kirchhoffschen Gesetz beschrieben.
Vor der Studie wurden Ionenbewegungen in der Literatur nur in einer geraden Pore beschrieben. Durch diese Forschung kann die Ionenbewegung in einem komplexen Netzwerk aus Tausenden miteinander verbundener Poren in wenigen Minuten simuliert und vorhergesagt werden.
„Das ist der springende Punkt der Arbeit“, sagte Gupta. „Wir haben das fehlende Bindeglied gefunden.“
Mehr Informationen:
Filipe Henrique et al, Ein Netzwerkmodell zur Vorhersage des Ionentransports in porösen Materialien, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2401656121