Исследователи из лаборатории Анкура Гупты обнаружили, как крошечные заряженные частицы, называемые ионами, движутся внутри сложной сети мельчайших пор. Этот прорыв может привести к разработке более эффективных устройств хранения энергии, таких как суперконденсаторы, утверждает Гупта.

Ученый объяснил, что несколько методов химической инженерии используются для изучения потока в пористых материалах, таких как нефтяные резервуары и фильтры для воды. Однако, по мнению Гупты, они не были полностью использованы в контексте некоторых систем хранения энергии.

Это открытие имеет важное значение не только для транспортных средств и электронных устройств, но и для электросетей. Там колебания спроса требуют эффективных методов хранения, чтобы избежать потерь и обеспечить быстрое снабжение.

Суперконденсаторы, устройства хранения энергии, основанные на накоплении ионов в порах, имеют более быстрое время зарядки и более длительный срок службы по сравнению с привычными батареями.

"Основная привлекательность суперконденсаторов заключается в их скорости, — объясняет Гупта. — Так как же мы можем ускорить их зарядку и выделение энергии? За счет более эффективного движения ионов".

Результаты исследования модифицируют закон Кирхгофа, который в 1845 году описал течение тока в электрических цепях. В отличие от электронов, ионы движутся как за счет электрических полей, так и диффузии. Исследователи определили, что их перемещение в местах пересечения пор отличаются от того, что постулирует закон Кирхгофа.

Ранее этот процесс был описан в литературе только в одной прямой поре. Благодаря этому исследованию движение ионов в сложной сети из тысяч взаимосвязанных пор можно смоделировать и предсказать за несколько минут.

"В этом вся суть работы, — говорит Гупта. — Мы нашли недостающее звено".

Разработанная методика ускоряет вычисления на шесть порядков без ущерба для точности. Исследователи применили новую модель для изучения влияния связей и распределения размеров пор на время зарядки электрических двойных слоев и прогнозирования взаимодействия между структурой и свойствами. Эти результаты имеют потенциал для улучшения конструкции суперконденсаторов и позволяют создавать 3D-печатные микромасштабные электроды для носимых устройств.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.