اقترح العلماء طريقة لإنشاء مكثفات فائقة مرنة يمكنها شحن الهاتف الذكي بالكامل في ثوانٍ

طور فريق من العلماء من مركز النانو تكنولوجي التابع لجامعة سنترال فلوريدا (UCF) طريقة جديدة لإنشاء مكثفات فائقة مرنة . إنها تتراكم المزيد من الطاقة وتتحمل أكثر من 30 ألف دورة شحن دون تلف. يمكن أن تصبح طريقة جديدة لإنشاء مكثفات نانوية تقنية ثورية في إنتاج كل من الهواتف الذكية والمركبات الكهربائية.

منشئو المحتوى على يقين: إذا قمت باستبدال البطاريات المعتادة بمكثفات نانوية جديدة ، فسيتم شحن أي هاتف ذكي بالكامل في بضع ثوانٍ. قد لا يفكر المالك كل بضع ساعات حول مكان شحن الهاتف الذكي: لن يتم تفريغ الجهاز لمدة أسبوع.

يواجه كل مالك للهاتف الذكي مشكلة غير قابلة للحل: بعد مرور 18 شهرًا تقريبًا على الشراء ، يستمر متوسط ​​شحن البطارية في وقت أقل وأقل ، ثم ينخفض ​​أخيرًا. لحلها ، يستكشف العلماء إمكانات المواد النانوية لتحسين المكثفات الفائقة. على المدى الطويل ، قد يدعمون أو حتى استبدال البطاريات في الأجهزة الإلكترونية. يصعب تحقيق ذلك: فلكي يحمل أيون طاقة أكبر من طاقة بطارية أيونات الليثيوم ، يجب أن يتجاوز حجم البطارية المعتاد بشكل ملحوظ.

قام فريق UCF بتجربة مواد ثنائية الأبعاد تم اكتشافها مؤخرًا بسماكة عدة ذرات - أغشية رقيقة من ثنائيات الكالسيوم المعدنية الانتقالية ( TMDs ). حاول علماء آخرون العمل معالجرافين والمواد الأخرى ثنائية الأبعاد ، ولكن لا يمكن القول أن هذه المحاولات كانت ناجحة للغاية.

تعتبر ثنائي كلوريد الجين ثنائي الأبعاد للمواد الانتقالية مادة واعدة للمكثفات الفائقة السعوية ، بسبب هيكلها الطبقي ومساحتها الكبيرة. التجارب السابقة التي دمجت TMDs مع المواد النانوية الأخرى حسنت الخصائص الكهروكيميائية للأول. ومع ذلك ، لم تتحمل مثل هذه الهجينة عددًا كافيًا من دورات إعادة الشحن. كان ذلك بسبب انتهاك السلامة الهيكلية للمواد عند التقاطعات مع بعضها البعض والتجمع العشوائي.

سأل جميع العلماء الذين حاولوا بطريقة أو بأخرى تحسين التقنيات الحالية السؤال التالي: "كيف يمكن الجمع بين المواد ثنائية الأبعاد والأنظمة الموجودة؟". ثم طور فريق UCF منهجًا بسيطًا للتوليف الكيميائي يمكنه بنجاح دمج المواد الموجودة مع ثنائي كلوريد الكالسيوم المعدني ثنائي الأبعاد. صرح بذلك المؤلف الرئيسي للدراسة إريك جونغ.

طور فريق Jung مكثفات فائقة تتكون من ملايين الأسلاك النانومترية المغلفة بمركبات ثنائية الكالسيوم المعدنية الانتقالية. يوفر النواة عالية التوصيل نقلًا سريعًا للإلكترون للشحن السريع والتفريغ. يتميز الغلاف الموحد للمواد ثنائية الأبعاد بكثافة طاقة عالية وقوة محددة.

العلماء على يقين من أن المواد ثنائية الأبعاد تفتح آفاقًا واسعة لعناصر تخزين الطاقة. ولكن حتى توصل باحثو UCF إلى طريقة لدمج المواد ، لم يكن من الممكن تحقيق هذه الإمكانات. قال الدكتور نيتين تشوداري ، الذي أجرى عددًا من الدراسات: "لقد تجاوزت موادنا المصممة للأجهزة الإلكترونية الصغيرة التقنيات التقليدية حول العالم من حيث كثافة الطاقة وكثافة الطاقة والاستقرار الدوري".

يحدد الاستقرار الدوري عدد المرات التي يمكن فيها شحن البطارية وتفريغها وإعادة شحنها قبل أن تبدأ في التدهور. يمكن شحن بطاريات الليثيوم أيون الحديثة حوالي 1.5 ألف مرة دون حدوث أعطال كبيرة. يتحمل النموذج الأولي المكثف الفائق المطور عدة آلاف من هذه الدورات. لم يتحلل القشرة المؤينة ثنائية الأبعاد حتى بعد إعادة شحنها 30 ألف مرة. يعمل جونغ وفريقه الآن على تسجيل براءة اختراع لطريقة جديدة.

يمكن استخدام المكثفات النانوية في الهواتف الذكية والمركبات الكهربائية وفي الواقع - في أي أجهزة إلكترونية. يمكن أن تساعد الشركات المصنعة على الاستفادة من التغييرات المفاجئة في القوة والسرعة. نظرًا لأن الأيونات المؤينة مرنة للغاية ، فهي مناسبة للإلكترونيات والتكنولوجيا القابلة للارتداء.

على الرغم من جميع مزايا المكثفات الفائقة الجديدة ، فإن التطوير ليس جاهزًا بعد للتسويق. ومع ذلك ، قد تكون هذه الدراسة زخمًا خطيرًا آخر لتطوير التكنولوجيا العالية.

العمل العلمي المنشور في مجلة ACS Nano 12 أكتوبر 2016
DOI: 10.1021 / acsnano.6b06111

Source: https://habr.com/ru/post/ar399295/