Uutta puhtia superkondensaattoreille

Darmstadtin teknillisen yliopiston johtaman tutkimusryhmän mukaan energian varastointilaitteiden, kuten superkondensaattoreiden elektrodien pienet ontelot muodostavat pieniä pyörteitä, jotka auttavat latauksessa.

Superkondensaattorit varastoivat energiaa sähköisiin kaksoiskerroksiin: kahden elektrodin väliin kohdistetaan jännite. Ne upotetaan nesteeseen, jossa pienet varautuneet hiukkaset, ionit, kelluvat. Positiiviset ja negatiiviset ionit liikkuvat vastakkaisiin suuntiin ja kerääntyvät varautuneiksi, nanometrin paksuisiksi kerroksiksi, sähköisiksi kaksoiskerroksiksi, elektrodien pinnoille. Jotta ionien kerääntymiselle olisi mahdollisimman suuri pinta-ala, superkondensaattorit rakentuvat huokoisista elektrodeista, joissa on paljon pieniä huokosia, kuten sienessä.

Tällaisten elektrodien huokosten halkaisija on vain muutama nanometri. Vaikka energiatiheydet ovat (edelleen) hieman pienempiä kuin akuissa, jalometalleja ei tarvita. Ja koska tässä ei ole kemiallisia reaktioita, jotka määrittävät akkujen latausaikaa, superkondensaattorit voidaan varata vain muutamassa sekunnissa tai minuutissa. Latausaikaa rajoittaa vain ionien kuljetus elektrodien huokosissa.

Professori Steffen Hardtin ryhmä tutki monimutkaisten tietokonesimulaatioiden avulla yksittäisen huokosen varautumisprosessia ja teki yllättävän löydön.

Tähän asti oletettiin, että huokosissa olevat ionit kulkeutuvat diffuusion eli satunnaisen molekyyliliikkeen ja sähkömigraation eli varattujen hiukkasten liikkeen sähkökenttien vaikutuksesta. Tiimi on nyt havainnut, että konvektiolla eli virtauksella, joka kuljettaa hiukkasia mukanaan, on myös ratkaiseva rooli varauksen kuljetuksessa huokosissa.

Konvektiota voidaan havaita esimerkiksi ruoanlaitossa, jossa kuuma ilma nousee kattilan yläpuolelle ja kuljettaa vesihöyryä ylöspäin virtauksen mukana. Jotain vastaavaa tapahtuu pienten huokosten varautuessa. Varattu ionikerros muodostuu ensin huokosen suuaukolle ja kasvaa sitten huokoseen.

Tämän prosessin aikana nesteeseen vaikuttavat sähköiset voimat, jotka saavat sen virtaamaan huokoseen huokosen seinämää pitkin. Koska huokonen on umpinainen, vastavirta kulkee huokosesta ulos keskeltä. Tämä kiertävä virtaus kuljettaa nyt ioneja mukanaan, mikä kiihdyttää varautumisprosessia.

Tulokset luovat pohjan huokosten varautumisen aikaisen konvektion tutkimukselle ja osoittavat, kuinka voidaan saavuttaa nopeampia varausprosesseja superkondensaattoreissa valitsemalla kohdennetusti huokosgeometria, materiaalit ja käyttöjännite.

Aiheesta aiemmin:

Metalliton superkondensaattoripino grafeenista

Interkalatoitu pseudokapasitanssi

Hengittävä superkondensaattori