Energia przyszłości potrzebuje magazynowania

Energia ze słońca i wiatru jest coraz ważniejsza, ale ma jedną zasadniczą wadę – jest niestabilna. Gdy nie świeci słońce lub nie wieje wiatr, potrzebujemy zapasów energii. Dlatego rozwój technologii magazynowania energii to jeden z filarów transformacji energetycznej.

Reklama

Obecnie dominują akumulatory, które przechowują energię chemicznie. Mają one wysoką gęstość energii, ale ich wady są dobrze znane: długo się ładują, wymagają rzadkich i kosztownych surowców (np. kobaltu). Alternatywą są superkondensatory, które działają zupełnie inaczej.

Superkondensatory – szybkie, ale z ograniczeniami

Zamiast reakcji chemicznych, superkondensatory magazynują energię dzięki zjawisku fizycznemu – tworzeniu tzw. elektrycznej warstwy podwójnej. W uproszczeniu: między dwiema elektrodami przykładane jest napięcie, w cieczy między nimi znajdują się jony (naładowane cząstki), jony gromadzą się przy powierzchni elektrod, tworząc bardzo cienkie warstwy ładunku. Aby zmaksymalizować ilość magazynowanej energii, elektrody mają strukturę przypominającą gąbkę – są pełne mikroskopijnych porów o średnicy kilku nanometrów. Dzięki temu: superkondensatory ładują się bardzo szybko (sekundy–minuty), nie wymagają metali szlachetnych, są bardzo trwałe. Ich głównym ograniczeniem jest jednak nieco niższa gęstość energii niż w bateriach.

Zaskakujące odkrycie: w porach powstają wiry

Reklama

Międzynarodowy zespół badaczy odkrył coś, czego wcześniej nikt się nie spodziewał. Dotychczas uważano, że jony przemieszczają się w porach dzięki: dyfuzji (losowy ruch cząsteczek), elektromigracji (ruch pod wpływem pola elektrycznego). Nowe badania pokazały, że to nie wszystko.

W porach powstaje także konwekcja – przepływ cieczy, który „porywa” jony ze sobą. To właśnie ten mechanizm znacząco przyspiesza ładowanie.

Jak działają mikroskopijne wiry?

Proces przypomina zjawiska znane z kuchni. Gdy gotujemy wodę: gorące powietrze unosi się do góry, powstają ruchy cyrkulacyjne (konwekcyjne). W mikroskali dzieje się coś podobnego: Warstwa jonów tworzy się przy wejściu do poru. Następnie „wchodzi” głębiej do środka. Siły elektryczne wprawiają ciecz w ruch wzdłuż ścian poru. Ponieważ por jest zamknięty, w jego centrum powstaje przepływ zwrotny. Tworzy się mikroskopijny wir, który transportuje jony. Efekt? Znacznie szybsze ładowanie. Co więcej, pominięcie tego zjawiska w modelach prowadzi do błędów nawet do 90% w przewidywaniu czasu ładowania.

Matematyka zamiast superkomputerów

Badacze nie tylko odkryli nowe zjawisko, ale też stworzyli model matematyczny, który: bardzo dokładnie opisuje przepływ i transport jonów, eliminuje konieczność czasochłonnych symulacji komputerowych i pozwala lepiej projektować materiały.

Dotychczasowe badania dotyczyły pojedynczego poru, ale w rzeczywistości elektrody zawierają ich miliony. Teraz naukowcy chcą zrozumieć, jak te struktury oddziałują ze sobą.

Najważniejszy wniosek: Odpowiednio projektując geometrię porów, materiały oraz napięcie pracy, można znacząco przyspieszyć ładowanie superkondensatorów.

To odkrycie może mieć realny wpływ na przyszłość technologii: szybsze ładowanie samochodów elektrycznych, bardziej wydajne magazyny energii dla OZE, urządzenia elektroniczne ładowane niemal natychmiast. Choć do zastosowań komercyjnych jeszcze daleka droga, jedno jest pewne – czasem to właśnie najmniejsze zjawiska (niewidoczne gołym okiem wiry) mogą wywołać największą technologiczną rewolucję.

Źródło: Technische Universität Darmstadt