Het is dé grote frustratie bij zo ongeveer alles wat moet worden opgeladen: het duurt lang. Mogelijk komt daar binnenkort nu echt verandering in door een doorbraak in de ontwikkeling van de supercondensator.
Daarmee zou je een laptop of smartphone in een minuut kunnen opladen en een elektrische auto in tien minuten, is het idee. Nu is dat nog niet mogelijk, maar nieuw onderzoek van onderzoekers van de University of Colorado Boulder brengt een dergelijke vooruitgang wel weer een stapje dichterbij.
Piepkleine geladen deeltjes
In het lab van onderzoeker Ankur Gupta hebben wetenschappers ontdekt hoe piepkleine geladen deeltjes, ionen genaamd, in een complex netwerk van minuscule poriën bewegen. De doorbraak kan leiden tot de ontwikkeling van betere supercondensators, zegt Gupta. “Gezien de cruciale rol van energie voor de toekomst van de planeet, voelde ik me geïnspireerd om mijn kennis van chemische technologie toe te passen om apparaten voor energieopslag te verbeteren.”
Chemische kijk op elektrotechniek
Hij legt uit dat chemische technieken al worden gebruikt om te kijken hoe vloeistoffen in poreuze materialen stromen, zoals oliereservoirs en waterfilteringsystemen, maar dat ze nooit zijn ingezet om energieopslag te verbeteren. De ontdekking van de Amerikanen is niet alleen superhandig voor het opladen van elektrische auto’s, laptops en smartphones, maar ook voor elektriciteitsnetten. Daarbij fluctueert de vraag naar energie namelijk sterk, waardoor efficiënte opslag belangrijk is om verspilling te voorkomen tijdens periodes van weinig vraag. Tegelijkertijd moet de stroomlevering gegarandeerd blijven als de vraag naar energie omhoogschiet.
Lange levensduur
Supercondensators werken als energieopslag door de accumulatie van ionen in hun poriën. Ze hebben een veel langere levensduur en laden veel sneller op dan batterijen. “Het grootste voordeel van supercondensators is hun snelheid, dus hoe kunnen we het opladen versnellen? Door een efficiëntere beweging van ionen”, aldus Gupta. En precies dat kregen de onderzoekers voor elkaar.
Hun bevindingen zijn een aanpassing van de elektriciteitswetten van Kirchhoff, die al sinds 1845 de stroomsterkte in elektrische circuits verklaren. In tegenstelling tot elektronen bewegen ionen door zowel elektrische velden als door diffusie en de onderzoekers ontdekten dat hun bewegingen op de kruising van poriën afwijkt van hoe het is beschreven door Kirchhoff.
De natuurkundige Gustav Robert Kirchhoof kwam al in 1845 met twee elektriciteitswetten, die we nu nog altijd bij natuurkunde leren. Ten eerste: in elk knooppunt van een elektrisch netwerk is de som van de stromen die daar samenkomen gelijk aan de som van de stromen die vanuit dat punt vertrekken. En ten tweede: in een gesloten kring is de som van de spanningsverschillen altijd nul.
In de literatuur zijn ionenbewegingen alleen omschreven in één rechte porie. In dit onderzoek kan de beweging van ionen in een complex netwerk van duizenden met elkaar verbonden poriën worden gesimuleerd en voorspeld in slechts een paar minuten.
“Dat is de grote sprong die we maken in ons werk”, besluit Gupta. “We hebben de missing link gevonden.”
Een condensator bestaat uit twee plaatjes die geleiden met daartussen een materiaal dat niet geleidt. Zo kan een condensator elektrische lading opslaan. Grootste kracht is dat hij supersnel oplaadt en energie afgeeft. Een condensator kan minder energie opslaan dan een batterij maar het vermogen is groter en de levensduur langer. De supercondensator geldt al jaren als veelbelovende vervanger van de accu. Doordat hij maar zo weinig energie kan opslaan, is het belangrijk dat hij nog sneller energie kan opslaan, zoals Gupta en zijn collega’s succesvol probeerden. Supercondensators worden nu al veel in de transportsector gebruikt, onder andere in de remsystemen van treinen en metro’s.
