فهم جديد للخزانات الفائقة قد يثور في معايير الشحن

يمكن أن يؤدي فهم جديد للخزانات الفائقة إلى جعل شحن هاتفك أو سيارة الكهرباء ممكنًا في ثوان. هذا الأسبوع ، نشر باحثون من CU Boulder دراسة في المنشورات الأكاديمية الوطنية للعلوم حول ديناميكيات انتقال الأيونات عبر شحن الطبقة المزدوجة الكهربائية (EDL) الممتلئة بالمسام ، والتي لها потенシャル لثورة سوق الخزانات الفائقة. هنا ما تحتاج إلى معرفته.

ما هي الخزانات الفائقة؟

المكثفات هي مكون حاسم في الإلكترونيات الحديثة. هذه الأجهزة تخزن الطاقة الكهروستاتيكية في مجال كهربائي بدلاً من إنشاء الطاقة عن طريق طرق كيميائية مثل البطاريات التقليدية. وبالتالي ، فإن لها خصائص فريدة تجعلها مثالية عندما تكون هناك حاجة إلى طاقة نبضية عالية جدًا وطاقة تخزين.

الخزانات الفائقة مقابل البطاريات

تخزن الخزانات الفائقة والبطاريات الطاقة ولكن بطرق مختلفة جدًا. تخزن معظم البطاريات الطاقة باستخدام التفاعلات الكيميائية. هذا الأسلوب مثالي لاحتياجات الطاقة على المدى الطويل ولكن له عيوب خطيرة ، مثل أوقات الشحن الطويلة والوزن. أضافت الخزانات الفائقة سعة تخزين ، مما يجعلها النظام المثالي لتوفير انفجارات من الطاقة عند الحاجة.

منذ أن تخزن الخزانات الفائقة الطاقة من خلال شحنة ساكنة بدلاً من تفاعل كهروكيميائي ، يمكن جعلها أخف. في معظم الحالات ، يتم استخدامها لمكمل الدوائر التي تعمل بالتيار المستمر ويمكن العثور عليها في العديد من الإلكترونيات الشائعة.

كيف تعمل الخزانات الفائقة؟

تخزن الخزانات الفائقة الشحنة عن طريق حجز الأيونات في المسام. يتيح هذا الأسلوب من الشحن للخزان الفائق شحن كامل في ثوان. حتى وقت قريب ، كان هذا الأسلوب لتخزين الكهرباء محدودًا من حيث الطبقات والمسام. ومع ذلك ، فإن هذا الأسلوب الفريد للشحن هو ما لفت انتباه مهندس الكيمياء الحيوية أنكور غوبتا وفريقه.

التقاء المجالات العلمية

قام غوبتا وفريقه من الباحثين بمراجعة البيانات المكتسبة من خلال البحث عن تدفق المواد المسامية وتطبيقها على الخزانات الفائقة. في معظم الحالات ، تم تطبيق هذه العلوم على أجهزة غير إلكترونية مثل أنظمة ترشيح المياه. ومن الملاحظ أن غوبتا أدرك أن خبرته يمكن استخدامها في الإلكترونيات أيضًا. وكشفت نتائجهم عن أن طرق شحن الطبقة المزدوجة الكهربائية (EDL) يمكن تحسينها باستخدام نموذجهم لإنشاء أجهزة تخزين طاقة أكثر كفاءة ، بما في ذلك البطاريات التي يمكن شحنها في ثوان.

تفاصيل الدراسة

بدء الباحثون bằng مراجعة كيفية تأثير الاتصال بالمسام والتنوع المتعدد على الشحن من حيث الكفاءة والسعة. لتحقيق هذه المهمة ، قاموا بإنشاء طرق جديدة للتنبؤ بحركة الإلكتروليت عبر مسام متعددة الطبقات المتراصة في هياكل معقدة.

النموذج الجديد يحسن التخطيط الهندسي

模拟 النموذج آلاف المسام المترابطة المتراصة في طبقات ومراقبة حركة الأيونات. أثبت إضافة المزيد من الطبقات لهذه الأنظمة أنه وسيلة فعالة لتمكين قدرات أكبر لتخزين الطاقة. المفتاح هو إنشاء هيكل يسمح بأقصى عدد من الأيونات المحبوسة دون حدوث انسداد كامل.

ومن الملاحظ أن الباحثين أدركوا أن تعظيم المساحة السطحية يمكن أن يعزز الأداء والقدرات التخزينية. وبالتالي ، قاموا بإنشاء عمق لتحوراتهم. يتيح نموذجهم للمهندسين التنبؤ بعلاقات الهيكل والخصائص وتأثيرها على نقل الطاقة بدقة على هذه المرشحات المتعددة الطبقات المعقدة. ثم تم التوفيق بين البيانات لتحديد أكثر الطرق كفاءة لإنشاء و تفريغ الطاقة عند الحاجة.

نتائج الدراسة

سمحت الدراسة للباحثين بإنشاء نماذج واختبار النتائج العديد من المرات بشكل أسرع من الطرق السابقة. على وجه التحديد ، تم تحقيق النتائج بحد أقصى في شبكة مثلثية من خمسة آلاف مسام ، والتي استغرق الأمر 6 دقائق لاستكمالها. في المستقبل ، يأملون في محاكاة حد ديبي-هيكل بدون قيود على سمك الطبقة المزدوجة الكهربائية وأقطار المسام.

قانون كيرشوف

أشار الباحثون إلى أنهم تصوروا الفكرة بعد تعديل قانون كيرتشوف. قام الفيزيائي الألماني غوستاف كيرتشوف بإنشاء قوانين حكمت سلوك الكهرباء في عام 1845 تسمى قانون كيرتشوف للفولتية والتيار. يتم استخدام هذه القوانين حتى اليوم لتحديد المقاومة عبر الشبكات المعقدة.

تطبيقات الخزانات الفائقة في العالم الواقعي

تتمتع الخزانات الفائقة بالعديد من التطبيقات في العالم الواقعي التي تمتد عبر الصناعات. يمكنك العثور على هذه الأجهزة المفيدة المستخدمة في تخزين البيانات ، وتزويد المركبات بالطاقة ، والمزيد. هنا هي أكثر الاستخدامات الشائعة للخزانات الفائقة اليوم.

حماية الذاكرة ودعم البطارية الداخلية

أحد أكثر الاستخدامات الشائعة للخزانات الفائقة اليوم هو حماية الذاكرة ودعم البطارية. الخزانات الفائقة مناسبة بشكل مثالي لهذه المهمة لأنها خفيفة ، أصغر من البطاريات ، موثوقة ، ولا تتطلب صيانة. وبالتالي ، يتم العثور على هذه الأجهزة في معظم الإلكترونيات التي تعمل بالتيار المستمر اليوم.

يمكن أن توفر الخزانات الفائقة حماية موثوقة للذاكرة بسبب قدرتها على الاحتفاظ بتحميلات طاقة عالية بسرعة. هذه القدرة تجعلها مثالية في حالات إيقاف مفاجئ أو سيناريوهات فقدان الطاقة الأخرى. في هذه السيناريوهات ، من الشائع أن ترسل هذه الأجهزة الذاكرة المؤقتة إلى ذاكرة الفلاش ، مما يحفظ تقدمك في الثواني الحرجة أثناء فقدان الطاقة.

تخزين الطاقة

يمكن تحسين أساليب حصاد الطاقة بشكل كبير باستخدام الخزانات الفائقة. سمات الخزانات الفائقة مثل القدرة على تخزين الطاقة الإضافية وإطلاقها في ثوان تجعلها مناسبة بشكل جيد للاستخدام في عملية حصاد الطاقة. هنا تلعب دورًا حيويًا في تسوية تدفقات التيار غير المنتظمة.

تستمر تقنية حصاد الطاقة في زيادة نطاقها وأهميتها. اليوم ، هناك أدوار حيوية للخزانات الفائقة لضمان طاقة مستمرة ومستقرة عبر الشبكات المجتمعية ، والبطاريات الطويلة الأمد ، وخلية الوقود ، أو حتى محركات الاحتراق المتقدمة. في المستقبل القريب ، ستخدم الخزانات الفائقة دورًا أكثر أهمية في حصاد الطاقة ، حيث ستساعد في تحقيق أقصى استفادة من مزارع الطاقة الشمسية والرياح الجديدة.

التكامل مع البطاريات

من السهل رؤية لماذا يمكن أن تحتوي الخزانات الفائقة على المفتاح لتحسين البطاريات. بالفعل ، هناك بطاريات تدمج هذه الأجهزة لضمان توصيل طاقة سلس وشحن. هنا ، تضمن الخزانات الفائقة أن جهد غير متساوٍ لا يضر الدوائر أو يخلق قمم مشكلة.

أظهرت الأبحاث أن الخزانات الفائقة يمكن أن تساعد في تعزيز أداء البطارية إلى أرقام جديدة. سعتها العالية وإطلاقها السريع يتيحان لهذه الأجهزة تخزين المزيد من الطاقة من البطاريات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تطبيق هذه الطاقة حيثما هو مطلوب 10 مرات أسرع من أساليب التوصيل التقليدية.

تخزين الطاقة في المركبات الهجينة

المركبات الهجينة هي صناعة أخرى وجدت استخدامًا للخزانات الفائقة. خلال السنوات الخمس الماضية ، كان هناك جهد متعمد لتطوير محركات تعمل بالكامل بالخزانات الفائقة للمركبات. من شأن هذا التطور أن يثور في الصناعة لأنه سيسمح بشحن فوري تقريبًا عبر خيارات مختلفة بما في ذلك الفرامل التنبؤية ، وتزويد الطاقة المحيطة ، والأساليب المتقدمة الأخرى.

الهدف هو جعل الخزانات الفائقة تكون المصدر الرئيسي للطاقة لهذه الوحدات. من شأن هذا الإجراء أن يقلل من تكاليف المركبات الكهربائية وأوزانها بشكل كبير. كما سيعزز من متانتها وموثوقيتها ، بينما يقلل من وزن هذه المركبات بشكل كبير. كل هذه العوامل دفعت مصنعي المركبات الهجينة إلى إنفاق تمويل كبير في البحث عن أفضل الخيارات.

إنترنت الأشياء

إنترنت الأشياء هو شبكة ضخمة من الأجهزة الذكية التي نمت لتشمل مليارات الوحدات. هذه الأجهزة ذكية لأنها تحتوي على مستشعرات وتتواصل مع الإنترنت. يمكن أن تستفيد هذه الأجهزة الصغيرة والمنخفضة الطاقة من الخزانات الفائقة لتحقيق قياسات طاقتها أثناء الحفاظ على صغرها ويمكن الوصول إليها.

إنترنت الأشياء في صعود ، حيث يتوقع المحللون أن تزيد هذه الشبكة الضخمة من الأجهزة بنحو كبير في السنوات القادمة. كما أصبح تزويد هذه الوحدات بالطاقة محور تركيز رئيسي للمطورين والمهندسين والصانعين على حد سواء.

فوائد هذا البحث

المنفعة الرئيسية لدراسة الباحثين هي تعزيز الخزانات الفائقة. سيتيح نموذجهم للمصنعين إنشاء أجهزة معقدة وأكثر كفاءة ستزويد بطاريات شحن سريع ، وشبكات طاقة ، وسفر ، والمزيد. هنا بعض الشركات التي يمكن أن تستفيد من هذه التكنولوجيا في السنوات القادمة.

1. FREYR Battery

(FREY )

FREYR Battery هي شركة لتصنيع خلايا بطاريات في لوكسمبورغ تظل القوة المهيمنة في السوق. تأسست الشركة في عام 2018 لخدمة سوق بطاريات المركبات الكهربائية المتزايد. اليوم ، تختص الشركة في تخزين الطاقة ، والطيران ، والسيارات ، وخدمات البطاريات الكهربائية.

FREYR Battery هي قوة في السوق مع عمليات رئيسية في النرويج والولايات المتحدة. من المقرر أن تكون جورجيا موطنًا لمصنع البطاريات الجيجاهاتي الحالي الذي يتم بناؤه حاليًا. تم تصميم هذه البطاريات الضخمة لخدمة القطاع الصناعي ، مما يجعل هذه المنشأة جهدًا رائدًا في السوق.

تتراوح القيمة السوقية لشركة FREYR Battery بين 225 مليون دولار و 359.74 مليون دولار. عند مراجعة الأسهم خلال النطاق الأخير من 52 أسبوعًا ، شهدت القيم تقلبات بين 1.21 دولار و 10.10 دولارات ، مع تحقيق أعلى قيمة على الإطلاق عند 16.94 دولار في 6 أكتوبر 2022. حاليًا ، يتوقع المحللون أن تكون شركة FREYR Battery قوية “متمسكة” حيث تتراوح التوقعات بين 10.00 دولار و 1.90 دولار.

2. QuantumScape

(QS )

تم تمويل QuantumScape بواسطة Jagdeep Singh و Tim Holme و Fritz B. Prinz. دخل السوق في عام 2010 ومقره في كاليفورنيا. تختص الشركة في تكنولوجيا البطاريات الصلبة وتكتيكات توفير الطاقة الأخرى. ومن الملاحظ أن هذه الشركة البطارية المبتكرة يمكن أن تدمج تقدم الباحثين في المستقبل لتحسين عروضها.

تسعى QuantumScape إلى دفع حدود تكنولوجيا البطاريات لتحسين الكفاءة والاستدامة. أثار الشركة الاهتمام مؤخرًا بعد أن أصبحت الشركة المصنعة الوحيدة التي طورت خلايا بطارية بدون أنود. يوفر هذا التحسين كثافة طاقة أعلى ويقلل من تكاليف التصنيع.

سيلاحظ المتداولون أن سهم QuantumScape تقلبت بين 4.92 دولار و 13.86 دولار خلال الأسبوعين الماضيين. تتراوح القيمة السوقية لهذا العائد بين 2 مليار دولار و 3 مليار دولار. على الرغم من عدم ظهور الشكل ليعود للمتداولين ، لا يزال يُعتبر إضافة جيدة لأن ابتكاراته لها إمكانية عالية لتحويل السوق في الأشهر القادمة.

مستقبل الخزانات الفائقة

مستقبل الخزانات الفائقة مشرق. تواصل المزيد من الشركات البحث عن كيفية تحسين هذه الأجهزة المفيدة وتكاملها في الأنظمة الحالية لتحسين الأداء. وبالتالي ، فإن سوق الخزانات الفائقة نشط جدًا ومليء بالابتكارات. في المستقبل ، سيخصص الباحثون وقتًا لاستكشاف المواد الجديدة.

بالإضافة إلى ذلك ، سيتم توجيه المزيد من الاهتمام إلى الخصائص المادية لهذه الأجهزة. قد يتم جعلها قريباً أكثر لينة ، قابلة للطي ، أو حتى قابلة للتمديد لخدمة الروبوتات الناعمة وسوق أخرى ناشئة. جعل هذه الأجهزة أصغر هوもう یکة رئيسية سيدفع الابتكار.

الاقتصاد الأخضر

مستقبل الخزانات الفائقة أخضر. هناك الكثير من البحث حول كيفية جعل هذه الأجهزة قابلة للتحلل البيولوجي في المستقبل. سيساعد هذا التحديث على تقليل تأثيرها على البيئة مع استمرار استخدامها. الاستدامة هي قلق رئيسي لجميع التكنولوجيات المتقدمة.

خزانات فائقة جديدة تحصل على قدرات جديدة

عندما تنظر إلى الدور الحاسم الذي تلعبه الخزانات الفائقة في حياتك اليومية ، من السهل رؤية لماذا حظيت هذه الدراسة باهتمام كبير. هذه الأجهزة تدفع الإلكترونيات التي نمت इतन nhiều أشخاص لاعتمادها على الحياة اليومية. في المستقبل ، بطاريات شحن سريع ، وشبكات طاقة ، هي بالضبط ما يحتاجه السوق. وبالتالي ، من الحكمة البقاء على اطلاع على هذا البحث أثناء تطوره.

تعلم عن مشاريع أخرى مثيرة للفكر هنا.