מדענים חושפים יעילות מפתיעה של קבלי-על "מבולגנים".

ניתן לשפר את צפיפות האנרגיה של קבלי-על, מכשירים הדומים לסוללות שיכולות להיטען במהירות תוך שניות או דקות בלבד, על ידי הגברת ה'בלגן' של המבנה הפנימי שלהם.

חוקרים בראשות אוניברסיטת קיימברידג' השתמשו בטכניקות ניסיוניות וממוחשבות כדי לחקור את אלקטרודות הפחמן הנקבוביות המשמשות בקבלי-על. הם גילו שאלקטרודות בעלות מבנה כימי לא מסודר אוגרות הרבה יותר אנרגיה מאלקטרודות בעלות מבנה מסודר מאוד.

קבלי-על הם טכנולוגיית מפתח למעבר האנרגיה ועשויים להיות שימושיים עבור צורות מסוימות של תחבורה ציבורית, כמו גם לניהול ייצור אנרגיית שמש ורוח לסירוגין, אך אימוץם הוגבל על ידי צפיפות אנרגיה ירודה.

החוקרים אומרים שהתוצאות שלהם, שדווחו בכתב העת מַדָעמייצגים פריצת דרך בתחום ויכולים להמריץ מחדש את הפיתוח של טכנולוגיית נטו-אפס חשובה זו.

השוואת קבלי-על וסוללות

כמו סוללות, קבלי-על אוגרים אנרגיה, אך קבלי-על יכולים להיטען תוך שניות או מספר דקות, בעוד שסוללות לוקחות הרבה יותר זמן. קבלי-על עמידים הרבה יותר מסוללות ויכולים להחזיק מעמד למיליוני מחזורי טעינה. עם זאת, צפיפות האנרגיה הנמוכה של קבלי-על הופכת אותם ללא מתאימים לאספקת אחסון אנרגיה לטווח ארוך או כוח רציף.

"קבלי-על הם טכנולוגיה משלימה לסוללות, ולא תחליף", אמר ד"ר אלכס פורסה מהמחלקה לכימיה של יוסוף חמיד בקיימברידג', שהוביל את המחקר. "העמידות שלהם ויכולות הטעינה המהירה ביותר שלהם הופכות אותם לשימושיים עבור מגוון רחב של יישומים."

אוטובוס, רכבת או מטרו המופעלים על ידי קבלי-על, למשל, יכולים להיטען במלואם בזמן שלוקח לאפשר לנוסעים לעלות ולהדליק, ולספק לו מספיק כוח כדי להגיע לתחנה הבאה. זה יבטל את הצורך בהתקנת כל תשתית טעינה לאורך הקו. עם זאת, לפני שקבלי-על יוכנסו לשימוש נרחב, יש לשפר את יכולת אחסון האנרגיה שלהם.

בעוד שסוללה משתמשת בתגובות כימיות כדי לאחסן ולשחרר מטען, קבל-על מסתמך על תנועת מולקולות טעונות בין אלקטרודות פחמן נקבוביות, בעלות מבנה מאוד לא מסודר. "תחשוב על גיליון של גרפן, בעל מבנה כימי מסודר מאוד", אמר פורסה. "אם אתה מגבש את יריעת הגרפן לכדור, יש לך בלגן לא מסודר, שהוא בערך כמו האלקטרודה בקבל-על."

פריצת דרך בהבנת מבנה האלקטרודה

בגלל הבלגן המובנה של האלקטרודות, היה קשה למדענים לחקור אותן ולקבוע אילו פרמטרים הם החשובים ביותר כאשר מנסים לשפר את הביצועים. חוסר הקונצנזוס הברור הזה הוביל לכך שהמגרש קצת נתקע.

מדענים רבים חשבו שגודלם של החורים הזעירים, או הננו-נקבוביות, באלקטרודות הפחמן הוא המפתח לשיפור יכולת האנרגיה. עם זאת, צוות קיימברידג' ניתח סדרה של אלקטרודות פחמן ננו-נקבוביות זמינות מסחרית ומצא שאין קשר בין גודל הנקבוביות ויכולת האחסון.

Forse ועמיתיו נקטו בגישה חדשה והשתמשו בספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית (NMR) – מעין 'MRI' לסוללות – כדי לחקור את חומרי האלקטרודה. הם גילו שהבלגן של החומרים – שנחשב זמן רב כמכשול – היה למעשה המפתח להצלחתם.

"באמצעות ספקטרוסקופיה של NMR, מצאנו כי קיבולת אגירת האנרגיה עומדת בקורלציה עם מידת הפרעות של החומרים – ככל שהחומרים המשובשים מסוגלים לאגור יותר אנרגיה", אמרה הסופרת הראשונה Xinyu Liu, מועמדת לדוקטורט בהנחיית פורסה ופרופסור דאם קלייר גריי. . "בלגן הוא משהו שקשה למדוד – זה אפשרי רק הודות לטכניקות NMR וסימולציה חדשות, וזו הסיבה שהבלגן הוא מאפיין שהתעלמו ממנו בתחום הזה".

כאשר מנתחים את חומרי האלקטרודה באמצעות ספקטרוסקופיה של NMR, נוצר ספקטרום עם פסגות ועמקים שונים. מיקום הפסגה מציין עד כמה הפחמן מסודר או לא מסודר. "זו לא הייתה התוכנית שלנו לחפש את זה, זו הייתה הפתעה גדולה", אמר פורסה. "כאשר תיכננו את מיקומו של השיא מול קיבולת האנרגיה, נוצר מתאם בולט – לחומרים המבולגנים ביותר הייתה קיבולת כמעט כפולה מזו של החומרים המסודרים ביותר."

אז למה בלגן זה טוב? פורסה אומר שזה הדבר הבא שהצוות עובד עליו. פחמנים לא מסודרים אוגרים יונים בצורה יעילה יותר בננו-נקבוביות שלהם, והצוות מקווה להשתמש בתוצאות הללו כדי לתכנן קבלי-על טובים יותר. הבלגן של החומרים נקבע בנקודה שבה הם מסונתזים.

"אנחנו רוצים לבחון דרכים חדשות לייצור חומרים אלה, כדי לראות כמה רחוק הבלגן יכול לקחת אותך במונחים של שיפור אגירת האנרגיה", אמר פורסה. "זו יכולה להיות נקודת מפנה לתחום שנתקע לזמן מה. קלייר ואני התחלנו לעבוד על הנושא הזה לפני יותר מעשור, וזה מרגש לראות שהרבה מהעבודות הבסיסיות הקודמות שלנו יש כעת יישום ברור."

המחקר נתמך בחלקו על ידי קרן קיימברידג', מועצת המחקר האירופית ומחקר וחדשנות בבריטניה (UKRI).