نوع جديد من المكثفات ابتكره العلماء عن طريق الخطأ, توفر كثافة طاقة تصل إلى 19 مرة أعلى من المكثفات الحالية

[عبدالله أسحاق]

يمكن أن يستمر عمر البطارية في الهواتف والمركبات الكهربائية لفترة أطول بكثير بفضل نوع جديد من المكثفات ابتكره العلماء عن طريق الخطأ. (رصيد الصورة: فيافرام / غيتي إيماجز)

يمكن أن تدوم بطاريات السيارات الكهربائية لفترة أطول بفضل مكثف جديد بكثافة طاقة تبلغ 19 مرة ابتكره العلماء عن طريق الخطأ
يمكن أن يتم شحن السيارات الكهربائية وبطاريات الكمبيوتر المحمول بشكل أسرع بكثير وأن تدوم لفترة أطول بفضل الهيكل الجديد الذي يمكن استخدامه لصنع مكثفات أفضل بكثير في المستقبل.

يقول العلماء إن الهيكل المادي الجديد يمكن أن يحدث ثورة في تخزين الطاقة من خلال تمكين المكثفات الموجودة في السيارات أو الأجهزة الكهربائية من تخزين الطاقة لفترة أطول.

طور الباحثون مكثفات من "هياكل متغايرة" جديدة ذات خاصية جديدة تقلل من سرعة تبدد الطاقة دون التأثير على قدرتها على الشحن بسرعة.

الاكتشاف الجديد - الذي يقول العلماء إنه غير مقصود ويبني أعمالًا إلكترونية جديدة - يمكن أن يكون الأساس لتحسين عمر البطارية عبر الأجهزة الاستهلاكية مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الهواتف الذكية، بالإضافة إلى مزيد من المرونة في تخزين الطاقة على نطاق الشبكة. ووصف العلماء النتائج التي توصلوا إليها في دراسة نشرت في 18 أبريل في مجلة ساينس.

في حين أن البطاريات يمكنها تخزين الطاقة لفترة طويلة، إلا أنها تستغرق وقتًا طويلاً لشحن وتفريغ الكهرباء. وهنا يأتي دور المكثفات، فهي تقوم بتخزين الكهرباء في مجال كهربائي يمكن شحنه وتفريغه بسرعة للوصول السريع إلى الطاقة حسب الحاجة.

ابتكر الباحثون نهجًا جديدًا للبطاريات التي يمكن أن تساعد الكهرباء الشائعة على الاستمرار لفترة أطول بحوالي 20 مرة بين الشحنات (حقوق الصورة: ktsimages/Getty Images)

تستخدم الهواتف الذكية، على سبيل المثال، الطاقة بشكل عام من البطارية ولكنها تحصل على الطاقة من المكثفات عندما تكون هناك حاجة إلى الطاقة في فترة قصيرة - مثل فلاش الكاميرا. يحتوي كل هاتف ذكي عادةً على مئات المكثفات.
تستخدم بعض المكثفات مواد متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف لتخزين الطاقة. هذه المواد مستقطبة بشكل طبيعي، ويمكن عكسها عن طريق تطبيق الجهد الكهربي. عندما يتم عكس الاستقطاب، يبقى هذا في المكثف مثل "الذاكرة"، حتى بعد إزالة الجهد.

يؤدي تطبيق الطاقة إلى عكس استقطاب هذه المواد، ويمكنها الحفاظ على هذا الاستقطاب حتى بعد إزالة الطاقة. ومع ذلك، فإنها عمومًا تحتفظ بالطاقة بشكل سيئ على مدى فترات أطول مقارنة بالبطاريات.

ويحقق الهيكل الجديد توازنًا فيزيائيًا وكيميائيًا بين الموصلية وعدم الموصلية، مما يسمح له بالاحتفاظ بالطاقة بشكل أكثر فعالية. عن طريق الصدفة، وجد الباحثون أن وجود فجوة صغيرة في القلب يزيد من وقت الاسترخاء، وهو مصطلح يستخدم لوصف الفترة التي يفقد خلالها المكثف الشحنة.

في كل من الهياكل المتغايرة، يتم وضع المواد ثنائية وثلاثية الأبعاد في طبقات مثل صفائح المعكرونة في اللازانيا على المستوى الذري، مع روابط كيميائية وغير كيميائية بين كل طبقة. ويبلغ الحد الأقصى لسمك الهيكل العام 30 نانومترًا فقط، أي أرق بحوالي 30 ألف مرة من شعرة الإنسان.

وقال الباحثون إن هذه التكنولوجيا يمكن أن توفر كثافة طاقة تصل إلى 19 مرة أعلى من المكثفات الحالية. كما أعلن الفريق أيضًا عن كفاءة تزيد عن 90%، وهي نتيجة متميزة في هذا المجال. تبلغ الكفاءة المماثلة للمكثفات الكهروضوئية الجديدة 86.95%، وفقًا لبحث نُشر في يوليو 2023 في مجلة Materials.

وقال سانغ هون باي، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية وعلوم المواد في جامعة واشنطن، في بيان: "لقد وجدنا أن وقت استرخاء العزل الكهربائي يمكن تعديله أو تحفيزه من خلال فجوة صغيرة جدًا في بنية المادة". "هذه الظاهرة الفيزيائية الجديدة هي شيء لم نشهده من قبل. إنها تمكننا من التعامل مع المواد العازلة بطريقة لا تستقطبها وتفقد قدرتها على الشحن."

إذا تم إعادة إنتاج هذا الهيكل على نطاق واسع، فيمكن أن يؤدي إلى إحداث تحول في الطريقة التي نخزن بها الطاقة ونحصل عليها، لأنها ستسمح بالوصول إلى الطاقة بسرعة كبيرة عند الطلب دون التضحية باستقرار التخزين طويل الأجل. ومع كثافة الطاقة الأعلى، يمكن لمكثفات الجيل التالي أن تتيح استخدامًا أكبر لمكثفات الشحن السريع للأجهزة التي تحتاج إلى تخزين طويل الأمد مثل السيارات الكهربائية. يمكن للمكثفات أيضًا توفير طاقة سريعة عند الطلب للشبكة أو الاستخدامات الصناعية الخاصة.