آشفتگی بهترین است: ساختار نامرتب دستگاه های باتری مانند عملکرد را بهبود می بخشد

محققان دانشگاه کمبریج از تکنیک‌های مدل‌سازی تجربی و کامپیوتری برای مطالعه الکترودهای کربن متخلخل مورد استفاده در ابرخازن‌ها استفاده کردند. آنها دریافتند که الکترودهایی با ساختار شیمیایی نامنظم تر انرژی بسیار بیشتری نسبت به الکترودهایی با ساختار بسیار منظم ذخیره می کنند.ابرخازن‌ها یک فناوری کلیدی برای انتقال انرژی هستند و می‌توانند برای اشکال خاصی از حمل‌ونقل عمومی و همچنین برای مدیریت تولید متناوب انرژی خورشیدی و بادی مفید باشند، اما پذیرش آنها به دلیل چگالی انرژی ضعیف محدود شده است.محققان می گویند نتایج آنها  نشان دهنده یک پیشرفت در این زمینه است و می تواند توسعه این فناوری مهم صفر خالص را تقویت کند.

مانند باتری‌ها، ابرخازن‌ها انرژی را ذخیره می‌کنند، اما ابرخازن‌ها می‌توانند در چند ثانیه یا چند دقیقه شارژ شوند، در حالی که باتری‌ها زمان بیشتری نیاز دارند. ابرخازن ها بسیار بادوام تر از باتری ها هستند و می توانند میلیون ها چرخه شارژ دوام بیاورند. با این حال، چگالی انرژی کم ابرخازن ها آنها را برای ذخیره انرژی طولانی مدت یا توان مداوم نامناسب می کند.

دکتر الکس فورس از دپارتمان شیمی یوسف حمید در کمبریج که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: ابرخازن‌ها به جای جایگزینی، فناوری مکمل باتری‌ها هستند. دوام و قابلیت‌های شارژ بسیار سریع آن‌ها را برای طیف وسیعی از کاربردها مفید می‌سازد برای مثال، یک اتوبوس، قطار یا مترو که از ابرخازن‌ها نیرو می‌گیرد، می‌تواند در مدت زمانی که برای پیاده‌روی کردن مسافران طول می‌کشد، کاملاً شارژ شود و نیروی کافی برای رسیدن به ایستگاه بعدی را برای آن فراهم کند. این امر نیاز به نصب هرگونه زیرساخت شارژ در طول خط را از بین می برد. با این حال، قبل از اینکه ابرخازن ها به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند، ظرفیت ذخیره انرژی آنها باید بهبود یابد.

در حالی که یک باتری از واکنش‌های شیمیایی برای ذخیره و آزادسازی شارژ استفاده می‌کند، یک ابرخازن به حرکت مولکول‌های باردار بین الکترودهای کربن متخلخل، که ساختار بسیار نامنظمی دارند، متکی است. فورس گفت: “ورقه ای از گرافن را در نظر بگیرید که ساختار شیمیایی بسیار منظمی دارد.” اگر آن ورق گرافن را به یک توپ خرد کنید، دچار آشفتگی نامنظمی خواهید شد که به نوعی شبیه الکترود یک ابرخازن است.

به دلیل آشفتگی ذاتی الکترودها، مطالعه آنها و تعیین اینکه کدام پارامترها در تلاش برای بهبود عملکرد مهم هستند، برای دانشمندان دشوار است. این عدم اجماع واضح باعث شده است که این حوزه کمی گیر کند.

بسیاری از دانشمندان فکر کرده اند که اندازه سوراخ های کوچک یا نانوحفره ها در الکترودهای کربن کلید بهبود ظرفیت انرژی است. با این حال، تیم کمبریج یک سری از الکترودهای کربن نانومتخلخل تجاری موجود را تجزیه و تحلیل کرد و دریافت که هیچ ارتباطی بین اندازه منافذ و ظرفیت ذخیره‌سازی وجود ندارد.

فورس و همکارانش رویکرد جدیدی در پیش گرفتند و از طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) – نوعی MRI برای باتری‌ها – برای مطالعه مواد الکترود استفاده کردند. آنها دریافتند که نامرتب بودن مواد – که مدتها تصور می شد مانعی برای آنهاست در واقع کلید موفقیت آنها بود.

شینیو لیو، نویسنده اول، کاندیدای دکترا با سرپرستی مشترک فورس و پروفسور دیم کلر، گفت: با استفاده از طیف‌سنجی NMR، ما دریافتیم که ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی با بی‌نظم بودن مواد مرتبط است – مواد بی‌نظم‌تر می‌توانند انرژی بیشتری ذخیره کنند. خاکستری. به هم ریختگی چیزی است که اندازه‌گیری آن سخت است – تنها به لطف NMR و تکنیک‌های شبیه‌سازی جدید امکان‌پذیر است، به همین دلیل است که آشفتگی ویژگی‌ای است که در این زمینه نادیده گرفته شده است.

هنگام تجزیه و تحلیل مواد الکترود با طیف‌سنجی NMR، طیفی با پیک‌ها و دره‌های مختلف تولید می‌شود. موقعیت قله نشان می دهد که کربن چقدر منظم یا نامنظم است. فورس گفت: “برنامه ما این نبود که دنبال این باشیم، این یک غافلگیری بزرگ بود.” زمانی که موقعیت اوج را در برابر ظرفیت انرژی ترسیم کردیم، یک همبستگی قابل توجه به وجود آمد – بی نظم ترین مواد ظرفیتی تقریباً دو برابر بیشتر از مواد سفارش داده شده داشتند.

پس چرا آشفتگی خوب است؟ فورس می گوید این چیزی است که تیم روی آن کار می کند. کربن‌های بی‌نظم بیشتر یون‌ها را با کارایی بیشتری در نانوحفره‌های خود ذخیره می‌کنند و تیم امیدوار است از این نتایج برای طراحی ابرخازن‌های بهتر استفاده کند. آشفتگی مواد در نقطه سنتز آنها مشخص می شود.

فورس می‌گوید: «ما می‌خواهیم راه‌های جدید ساخت این مواد را بررسی کنیم تا ببینیم آشفتگی تا کجا می‌تواند شما را از نظر بهبود ذخیره‌سازی انرژی برساند. “این می تواند یک نقطه عطف برای حوزه ای باشد که برای مدتی معطل مانده است. کلر و من بیش از یک دهه پیش کار روی این موضوع را شروع کردیم، و دیدن بسیاری از کارهای اساسی قبلی ما که اکنون کاربرد واضحی دارند، هیجان انگیز است.”