บทความเกี่ยวกับเคมีResearchers from

บทความเกี่ยวกับเคมีResearchers from the University of Cambridge, together with French collaborators based in Toulouse, have developed a new method to see inside battery-like devices known as supercapacitors at the atomic level. The new method could be used in order to optimise and improve the devices for real-world applications, including electric cars, where they can be used alongside batteries to enhance a vehicle's performance.

By using a combination of nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and tiny scales sensitive enough to detect changes in mass of a millionth of a gram, the researchers were able to visualise how ions move around in a supercapacitor. They found that while charging, different processes are at work in the two identical pieces of carbon 'sponge' which function as the electrodes in these devices, in contrast to earlier computer simulations. The results are published today (22 June) in the journal Nature Materials.

Supercapacitors are used in applications where quick charging and power delivery are important, such as regenerative braking in trains and buses, elevators and cranes. They are also used in flashes in mobile phones and as a complementary technology to batteries in order to boost performance. For example, when placed alongside a battery in an electric car, a supercapacitor is useful when a short burst of power is required, such as when overtaking another car, with the battery providing the steady power for highway driving.

'Supercapacitors perform a similar function to batteries but at a much higher power -- they charge and discharge very quickly,' said Dr. John Griffin, a postdoctoral researcher in the Department of Chemistry, and the paper's lead author. 'They're much better at absorbing charge than batteries, but since they have much lower density, they hold far less of that charge, so they're not yet a viable alternative for many applications. Being able to see what's going on inside these devices will help us to control their properties, which could help to make them smaller and cheaper, and that might make them a high-power alternative to batteries.'

At its most basic level, a battery is made of two metal electrodes (an anode and a cathode) with some sort of solution between them (electrolyte). When the battery is charged, electrolyte ions are stored in the anode. As the battery discharges, electrolyte ions leave the anode and move across the battery to chemically react with the cathode. The electrons necessary for this reaction travel through the external circuit, generating an electric current.

A supercapacitor is similar to a battery in that it can generate and store electric current, but unlike a battery, the storage and release of energy does not involve chemical reactions: instead, positive and negative electrolyte ions simply 'stick' to the surfaces of the electrodes when the supercapacitor is being charged. When a supercapacitor is being discharged to power a device, the ions can easily 'hop' off the surface and move back into the electrolyte.

The reason why supercapacitors charge and discharge so much faster is that the 'sticking' and 'hopping' processes happen much faster than the chemical reactions at work in a battery.

'To increase the area for ions to stick to, we fill the carbon electrode with tiny holes, like a carbon sponge,' said Griffin. 'But it's hard to know what the ions are doing inside the holes within the electrode -- we don't know exactly what happens when they interact with the surface.'

In the new study, the researchers used NMR to look inside functioning supercapacitor devices to see how they charge and store energy. They also used a type of tiny weighing scale called an electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) to measure changes in mass as little as a millionth of a gram.

By taking the two sets of information and putting them together, the researchers were able to build a precise picture of what happens inside a supercapacitor while it charges.

'In a battery, the two electrodes are different materials, so different processes are at work,' said Griffin. 'In a supercapacitor, the two electrodes are made of the same porous carbon sponge, so you'd think the same process would take place at both -- but it turns out the charge storage process in real devices is more complicated than we previously thought. Previous theories had been made by computer simulations -- no-one's observed this in 'real life' before.'

What the experiments showed is that the two electrodes behave differently. In the negative electrode, there is the expected 'sticking' process and the positive ions are attracted to the surface as the supercapacitor charges. But in the positive electrode, an ion 'exchange' happens, as negative ions are attracted to the surface, while at the same time, positive ions are repelled away from the surface.

Additionally, the EQCM was used to detect tiny changes in the weight of the electrode as ions enter and leave. This enabled the researchers to show that solvent molecules also accompany the ions into the electrode as it charges.

'We can now accurately count the number of ions involved in the charge storage process and see in detail exactly how the energy is stored,' said Griffin. 'In the future we can look at how changing the size of the holes in the electrode and the ion properties changes the charging mechanism. This way, we can tailor the properties of both components to maximise the amount of energy that is stored.'

The next step, said Professor Clare P. Grey, the senior author on the paper, 'is to use this new approach to understand why different ions behave differently on charging, an ultimately design systems with much higher capacitances.'

Funding for the project was provided by the UK Engineering and Physical Sciences Research Council and the European Research Council.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

บทความเกี่ยวกับเคมีResearchers จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ พร้อมกับผู้ร่วมงานที่ฝรั่งเศสอยู่ในตูลูส มีพัฒนาวิธีการใหม่เพื่อดูภายในเหมือนแบตเตอรี่อุปกรณ์ที่เรียกว่า supercapacitors ในระดับอะตอม วิธีการใหม่อาจจะใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ และปรับปรุงอุปกรณ์สำหรับการใช้งานจริง รวมถึงรถยนต์ไฟฟ้า ที่พวกเขาสามารถใช้ควบคู่ไปกับแบตเตอรี่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของรถโดยใช้การสั่นพ้องแม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) กและสำคัญพอที่จะตรวจพบการเปลี่ยนแปลงในมวลของชี้ของกรัมเป็นเครื่องชั่งขนาดเล็ก นักวิจัยเคยได้ visualise วิธีประจุย้ายไปรอบ ๆ ในการ supercapacitor พวกเขาพบขณะชาร์จไฟ กระบวนการต่าง ๆ ใช้ที่ทำงานในสองชิ้นที่เหมือนกันของคาร์บอน 'ฟองน้ำ' ฟังก์ชันใดเป็นหุงตในอุปกรณ์เหล่านี้ ตรงข้ามจำลองคอมพิวเตอร์ก่อนหน้านี้ จะประกาศผลวันนี้ (22 มิถุนายน) ในสมุดรายวันวัสดุธรรมชาติSupercapacitors จะใช้ในแอพพลิเคชันที่ชาร์จอย่างรวดเร็วและจัดส่งไฟฟ้ามีความสำคัญ เช่นเบรคสำหรับรถไฟ และรถประจำทาง ลิฟท์ และเครน นอกจากนี้พวกเขายังจะใช้ในแฟลช ในโทรศัพท์มือถือ และเทคโนโลยีเพิ่มเติมเพื่อให้แบตเตอรี่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ตัวอย่าง เมื่อทำควบคู่ไปกับแบตเตอรี่ในรถยนต์เป็นไฟฟ้า supercapacitor ที่มีประโยชน์เมื่อระเบิดสั้นของพลังงานเป็นสิ่งจำเป็น เช่นเมื่อขบวนรถอื่น พร้อมแบตเตอรี่ที่ให้พลังงานมั่นคงในการขับรถทางหลวง'Supercapacitors ดำเนินการฟังก์ชันคล้ายกับแบตเตอรี่ แต่ที่มากขึ้นกำลัง - พวกเขาคิด และถ่ายได้อย่างรวดเร็ว กล่าวว่า ดร.จอห์นกริฟฟอน นักวิจัยนักในภาควิชาเคมี และผู้เขียนเป้าหมายของกระดาษ ' พวกเขากำลังดีที่ดูดค่าธรรมเนียมกว่าแบตเตอรี่ แต่เนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำมาก พวกเขาถือมากน้อยของค่าธรรมเนียมนั้น ดังนั้นพวกเขาก็ยังเป็นทางเลือกที่ทำงานสำหรับโปรแกรมประยุกต์จำนวนมาก ความสามารถในการดูสิ่งที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์เหล่านี้จะช่วยให้เราควบคุมคุณสมบัติของพวกเขา ซึ่งจะช่วยให้มีขนาดเล็กกว่า และถูกกว่า และที่อาจทำให้เป็นทางเลือกกำลังแรงสูงแบตเตอรี่ 'ในระดับพื้นฐาน แบตเตอรี่จะทำของสองโลหะหุงต (เป็นแอโนดและแคโทดเป็น) มีบางจัดเรียงของโซลูชันการ (อิเล็กโทร) เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ ประจุอิเล็กโทรถูกเก็บอยู่ในขั้วบวก เป็นแบตเตอรี่ที่ discharges ประจุอิเล็กโทรออกจากขั้วบวก และย้ายแบตเตอรี่ทั่วไปสารเคมีทำปฏิกิริยากับแคโทด อิเล็กตรอนที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยานี้ที่เดินทางผ่านวงจรภายนอก สร้างเป็นกระแสไฟฟ้าSupercapacitor ที่มีลักษณะคล้ายกับแบตเตอรี่ที่สามารถสร้าง และจัดเก็บกระแสไฟฟ้า แต่ต่างจากแบตเตอรี่ จัดเก็บและปล่อยพลังงานไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมี: แทน อิเล็กโทรค่าบวก และค่าลบประจุเพียงแค่ 'ติด' พื้นผิวของการหุงตเมื่อ supercapacitor ที่มีการเรียกเก็บ เมื่อ supercapacitor ที่มีการปล่อยพลังงานอุปกรณ์ ประจุสามารถ 'กระโดด' ปิดพื้นผิวได้อย่างง่ายดาย และย้ายกลับไปยังอิเล็กโทรไลเหตุผลทำไม supercapacitors ค่าธรรมเนียม และถ่ายเร็วมากเป็นที่ 'ติด' และ 'กระโดด' กระบวนการเกิดขึ้นมากได้เร็วกว่าปฏิกิริยาเคมีที่ทำงานในแบตเตอรี่'เพื่อเพิ่มพื้นที่สำหรับประจุกราน เราเติมไฟฟ้าคาร์บอน มีหลุมเล็ก ๆ เช่นฟองน้ำคาร์บอน กล่าวว่า กริฟฟอน 'แต่ก็ยากที่จะรู้ว่าอะไรกันทำภายในหลุมภายในการไฟฟ้า - เราไม่รู้ว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อพวกเขาทำงานกับพื้นผิว'ในการศึกษาใหม่ นักวิจัยใช้ NMR เพื่อดูภายในทำงานอุปกรณ์ supercapacitor เพื่อดูว่าพวกเขาคิด และเก็บพลังงาน พวกเขายังใช้ชนิดเล็ก ๆ ชั่งเรียกการไฟฟ้าควอตซ์คริสตัล microbalance (EQCM) การวัดการเปลี่ยนแปลงในมวลน้อยที่ชี้เป็นกรัมของโดยใช้ชุดข้อมูลสองชุด และใส่กัน นักวิจัยก็สามารถสร้างภาพที่ชัดเจนของสิ่งที่เกิดขึ้นภายในแบบ supercapacitor ในขณะนั้นค่าธรรมเนียม'ในแบตเตอรี่ หุงตสองเป็นวัสดุต่าง ๆ เพื่อให้กระบวนการต่าง ๆ ที่ทำงาน กล่าวว่า กริฟฟอน ' ในการ supercapacitor หุงตสองที่ทำจากฟองน้ำ porous คาร์บอนเหมือนกัน ดังนั้นคุณจะคิดว่า กระบวนการเดียวกันจะใช้สถานที่ทั้งสอง — แต่มันเปลี่ยนจาก กระบวนการจัดเก็บค่าธรรมเนียมในอุปกรณ์จริงจะซับซ้อนมากขึ้นกว่าที่เราคิดว่า ก่อนหน้านี้ ทฤษฎีก่อนหน้านี้ได้ถูกทำ โดยคอมพิวเตอร์ - ไม่มีใครมีก็นี้ใน 'ชีวิตจริง' 'สิ่งทดลองแสดงให้เห็นได้ว่า การหุงตสองลักษณะแตกต่างกัน ในอิเล็กโทรดที่ลบ มีกระบวนการ 'ติด' คาด และประจุบวกจะดึงดูดกับพื้นผิวเป็นค่า supercapacitor แต่ในอิเล็กโทรดที่บวก 'แลก' มีไอออนเกิด ขึ้น เป็นประจุลบจะดึงดูดพื้นผิว ในเวลาเดียวกัน บวกกันเป็นมันไส้จากพื้นผิวนอกจากนี้ EQCM ถูกใช้เพื่อตรวจสอบเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ในน้ำหนักของอิเล็กโทรดป้อนประจุ และปล่อย นี้ใช้นักวิจัยแสดงว่า โมเลกุลตัวทำละลายยังกับประจุที่เป็นอิเล็กโทรดเป็นเรื่องค่าธรรมเนียม'เราสามารถตอนนี้อย่างถูกต้องนับจำนวนของประจุที่เกี่ยวข้องในการจัดเก็บค่าธรรมเนียม และดูในรายละเอียดว่าวิธีพลังงานเก็บ กล่าวว่า กริฟฟอน "ในอนาคต เราสามารถค้นหาวิธีการเปลี่ยนขนาดของหลุมอิเล็กโทรดและคุณสมบัติของไอออนเปลี่ยนกลไกชาร์จได้ ด้วยวิธีนี้ เราสามารถปรับแต่งคุณสมบัติของส่วนประกอบทั้งสองเพื่อเพิ่มปริมาณพลังงานที่เก็บอยู่ได้ 'ขั้นตอนต่อไป กล่าวว่า ศาสตราจารย์แคลร์ P. สีเทา ผู้อาวุโสบนกระดาษ, ' คือการ ใช้วิธีการใหม่นี้เข้าใจทำไมแตกต่างกันลักษณะแตกชาร์จ การออกแบบระบบที่ มี capacitances สูงสุด 'เงินทุนสำหรับโครงการได้รับจากสหราชอาณาจักรวิศวกรรม และวิทยาศาสตร์กายภาพ สภาวิจัย และ สภาวิจัยยุโรป

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

บทความเกี่ยวกับเคมีนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ร่วมกับผู้ร่วมงานที่อยู่ในฝรั่งเศสตูลูสได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการมองเห็นภายในอุปกรณ์แบตเตอรี่เช่นที่รู้จักกันเป็น supercapacitors ในระดับอะตอม วิธีการใหม่ที่สามารถนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและปรับปรุงอุปกรณ์สำหรับการใช้งานจริงของโลกรวมทั้งรถยนต์ไฟฟ้าที่พวกเขาสามารถนำมาใช้ควบคู่ไปกับแบตเตอรี่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของรถ. โดยใช้การรวมกันของแม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) สเปกโทรสโกและ เกล็ดเล็ก ๆ ที่มีความสำคัญมากพอที่จะตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในมวลของล้านของกรัมนักวิจัยก็สามารถที่จะเห็นภาพว่าไอออนย้ายไปรอบ ๆ ใน supercapacitor พวกเขาพบว่าในขณะที่ชาร์จกระบวนการที่แตกต่างกันในการทำงานในสองชิ้นที่เหมือนกันของคาร์บอน 'ฟองน้ำ' ซึ่งทำงานเป็นขั้วไฟฟ้าในอุปกรณ์เหล่านี้ในทางตรงกันข้ามกับก่อนหน้านี้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ ผลที่จะได้รับการตีพิมพ์ในวันนี้ (22 มิถุนายน) ในวารสารวัสดุธรรมชาติ. ซุปเปอร์ที่ใช้ในการใช้งานที่รวดเร็วและการเรียกเก็บเงินการจัดส่งพลังงานที่มีความสำคัญเช่นการปฏิรูปการเบรคในรถไฟและรถโดยสาร, ลิฟท์และรถเครน พวกเขายังใช้ในการกระพริบในโทรศัพท์มือถือและเทคโนโลยีประกอบกับแบตเตอรี่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ตัวอย่างเช่นเมื่ออยู่เคียงข้างกับแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้า, supercapacitor จะเป็นประโยชน์เมื่อออกมาสั้นของการใช้พลังงานที่จำเป็นเช่นเมื่อแซงรถอีกคันที่มีแบตเตอรี่ให้พลังงานที่มั่นคงสำหรับการขับรถทางหลวง. 'ซุปเปอร์ปฏิบัติหน้าที่คล้ายกัน แบตเตอรี่ แต่พลังงานที่สูงขึ้นมาก - พวกเขาคิดและจำหน่ายอย่างรวดเร็วกล่าวว่าดร. จอห์นกริฟฟิวิจัยหลังปริญญาเอกในภาควิชาเคมีและผู้เขียนนำกระดาษ 'พวกเขากำลังดีมากที่ดูดซับค่าใช้จ่ายกว่าแบตเตอรี่ แต่เนื่องจากพวกเขามีความหนาแน่นต่ำกว่ามากที่พวกเขาถือน้อยกว่าค่าใช้จ่ายที่เพื่อให้พวกเขายังไม่ได้เป็นทางเลือกสำหรับการใช้งานจำนวนมาก ความสามารถในการมองเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์เหล่านี้จะช่วยให้เราสามารถควบคุมคุณสมบัติของพวกเขาซึ่งจะช่วยให้พวกเขามีขนาดเล็กและราคาถูกและที่อาจทำให้พวกเขาเป็นทางเลือกที่กำลังสูงแบตเตอรี่. ในระดับพื้นฐานที่สุดของแบตเตอรี่ ที่ทำจากโลหะสองขั้วไฟฟ้า (ขั้วบวกและขั้วลบ) มีการจัดเรียงของการแก้ปัญหาระหว่างพวกเขาบางคน (อิเล็ก) เมื่อแบตเตอรี่ชาร์จประจุอิเล็กจะถูกเก็บไว้ในขั้วบวก ขณะที่การปล่อยแบตเตอรี่ประจุอิเล็กโทรออกจากขั้วบวกและย้ายข้ามแบตเตอรี่สารเคมีทำปฏิกิริยากับขั้วลบ อิเล็กตรอนที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยานี้เดินทางผ่านวงจรภายนอกสร้างกระแสไฟฟ้า. supercapacitor คล้ายกับแบตเตอรี่ในการที่จะสามารถสร้างและจัดเก็บกระแสไฟฟ้า แต่ไม่เหมือนแบตเตอรี่ที่เก็บสินค้าและการเปิดตัวของพลังงานที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาทางเคมี : แทนไอโอนิกอิเล็กโทรไลบวกและลบเพียง 'ติด' กับพื้นผิวของขั้วไฟฟ้าเมื่อ supercapacitor จะถูกเรียกเก็บ เมื่อ supercapacitor จะถูกปล่อยออกอุปกรณ์ไฟฟ้าไอออนสามารถ 'กระโดด' ออกจากพื้นผิวและย้ายกลับเข้ามาในอิเล็กโทร. เหตุผลที่คิดค่าบริการ supercapacitors และจำหน่ายเพื่อให้ได้เร็วขึ้นมากคือการที่ 'ติด' และ 'กระโดดกระบวนการเกิดขึ้น เร็วกว่าปฏิกิริยาทางเคมีในที่ทำงานในแบตเตอรี่. 'เพื่อเพิ่มพื้นที่สำหรับไอออนที่จะติดเรากรอกขั้วไฟฟ้าคาร์บอนที่มีรูเล็ก ๆ เหมือนฟองน้ำคาร์บอน' Griffin กล่าว แต่ก็ยากที่จะรู้ว่าสิ่งที่ไอโอนิกที่ทำภายในหลุมภายในอิเล็กโทร -. เราไม่ทราบว่าสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อพวกเขามีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิว ' ในการศึกษาใหม่นักวิจัยที่ใช้ NMR เข้าไปดูในการทำงานอุปกรณ์ supercapacitor เพื่อดูว่าพวกเขาคิดและเก็บพลังงาน พวกเขายังใช้ชนิดของเครื่องชั่งน้ำหนักขนาดเล็กที่เรียกว่าโป่งข่ามไฟฟ้าไมโคร (EQCM) ในการวัดการเปลี่ยนแปลงในมวลน้อยที่สุดเท่าที่ 1/1000000 กรัม. โดยการใช้ทั้งสองชุดของข้อมูลและวางพวกเขาร่วมกันนักวิจัยก็สามารถที่จะสร้าง ภาพที่ถูกต้องของสิ่งที่เกิดขึ้นภายใน supercapacitor ในขณะที่ค่าใช้จ่าย. 'ในแบตเตอรี่สองขั้วไฟฟ้าเป็นวัสดุที่แตกต่างกันกระบวนการที่แตกต่างกันเพื่อให้มีที่ทำงาน' Griffin กล่าว 'ใน supercapacitor ทั้งสองขั้วไฟฟ้าที่ทำจากฟองน้ำคาร์บอนที่มีรูพรุนเดียวกันดังนั้นคุณจะคิดว่ากระบวนการเดียวกันจะใช้สถานที่ที่ทั้งสอง - แต่มันกลับกลายเป็นค่าใช้จ่ายในการจัดเก็บในอุปกรณ์จริงมีความซับซ้อนมากขึ้นกว่าที่เราคิดไว้ก่อนหน้า . ทฤษฎีก่อนหน้าได้รับการทำโดยแบบจำลองคอมพิวเตอร์ - ไม่มีใครสังเกตของใน 'ชีวิตจริง' ก่อน '. อะไรทดลองแสดงให้เห็นว่าทั้งสองขั้วไฟฟ้าทำงานแตกต่างกัน ในขั้วลบมีคาดว่า 'ติด' กระบวนการและประจุบวกจะดึงดูดให้พื้นผิวที่เป็นค่าใช้จ่าย supercapacitor แต่ในขั้วบวก, ไอออน 'แลกเปลี่ยน' ที่เกิดขึ้นเป็นประจุลบจะถูกดึงดูดไปยังพื้นผิวในขณะที่ในเวลาเดียวกันประจุบวกจะมันไส้ห่างจากพื้นผิว. นอกจากนี้ EQCM ถูกใช้ในการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ในน้ำหนัก ของอิเล็กโทรดเป็นไอออนเข้าและออก นี้ช่วยให้นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าโมเลกุลของตัวทำละลายยังมาพร้อมกับไอโอนิกอิเล็กโทรดลงในขณะที่มันมีค่าใช้จ่าย. 'ตอนนี้เราสามารถได้อย่างถูกต้องนับจำนวนของไอออนที่เกี่ยวข้องในการจัดเก็บค่าใช้จ่ายและดูในรายละเอียดว่าวิธีการที่พลังงานจะถูกเก็บไว้' Griffin กล่าว . 'ในอนาคตเราสามารถดูวิธีการเปลี่ยนขนาดของหลุมในขั้วไฟฟ้าและคุณสมบัติไอออนเปลี่ยนแปลงกลไกการชาร์จ วิธีนี้เราสามารถปรับแต่งคุณสมบัติของส่วนประกอบทั้งเพื่อเพิ่มปริมาณของพลังงานที่เก็บไว้. ขั้นตอนต่อไปกล่าวว่าศาสตราจารย์แคลร์พีสีเทาเขียนอาวุโสบนกระดาษ "คือการใช้วิธีการใหม่นี้จะเข้าใจว่าทำไม ไอออนที่แตกต่างกันทำงานแตกต่างกันในการเรียกเก็บเงินในท้ายที่สุดการออกแบบระบบที่มีประจุที่สูงขึ้นมาก. เงินทุนสำหรับโครงการที่ได้รับจากสหราชอาณาจักรวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ทางกายภาพสภาวิจัยและสภาวิจัยแห่งยุโรป

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

บทความเกี่ยวกับเคมี นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ร่วมกับผู้ร่วมงานจากฝรั่งเศส ใน ตูลูส ได้พัฒนาวิธีการใหม่เพื่อดูภายในแบตเตอรี่เหมือนอุปกรณ์ที่เรียกว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในระดับอะตอม วิธีใหม่ที่สามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและปรับปรุงอุปกรณ์สำหรับการใช้งานจริง รวมถึงรถยนต์ไฟฟ้าที่พวกเขาสามารถใช้ร่วมกับแบตเตอรี่เพื่อเพิ่มสมรรถนะของรถ

โดยใช้การรวมกันของแม่เหล็กนิวเคลียร์ ( NMR ) spectroscopy และขนาดเล็กเครื่องชั่งไวพอที่จะตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในมวลของล้านของกรัม นักวิจัยสามารถที่จะเห็นภาพว่าไอออนย้ายไปรอบ ๆในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ . พวกเขาพบว่าในขณะที่ชาร์จกระบวนการที่แตกต่างกันในงานสองชิ้นที่เหมือนกันของคาร์บอน ' ฟองน้ำ ' ฟังก์ชันซึ่งเป็นขั้วไฟฟ้าในอุปกรณ์เหล่านี้ ในทางตรงกันข้ามกับก่อนหน้านี้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ผลลัพธ์จะถูกเผยแพร่ในวันนี้ ( 22 มิถุนายน ) ในวัสดุธรรมชาติวารสาร

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้ในการใช้งานที่รวดเร็วและการส่งมอบจะชาร์จพลังสำคัญ เช่น Regenerative เบรกในรถไฟและรถประจำทางลิฟท์และเครน พวกเขายังใช้ในกะพริบในโทรศัพท์มือถือและแบตเตอรี่เสริมจากเทคโนโลยีเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น เมื่อวางข้างแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้า , ซูเปอร์คาปาซิเตอร์จะเป็นประโยชน์เมื่อระเบิดสั้นของพลังงานที่ต้องการ เช่น เมื่อแซงรถอื่น กับแบตเตอรี่ให้พลังงานคงที่สำหรับการขับขี่ทางหลวง .

' ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แสดงฟังก์ชันคล้ายกับแบตเตอรี่แต่ที่พลังงานสูงมาก . . . พวกเขาค่าใช้จ่ายและการปล่อยอย่างรวดเร็ว ' ดร. จอห์นกริฟฟิน นักวิจัยปริญญาเอกในภาควิชา เคมี และผู้เขียนนำของกระดาษ . พวกเขาเก่งในการชาร์จแบตเตอรี่มากกว่า แต่เนื่องจากพวกเขามีความหนาแน่นที่ต่ำกว่ามาก พวกเขาถือไกลน้อยกว่าค่าใช้จ่ายที่ดังนั้นพวกเขาจะไม่ได้เป็นทางเลือกที่ทำงานได้สำหรับการใช้งานมาก สามารถดูสิ่งที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์เหล่านี้จะช่วยให้เราสามารถควบคุมคุณสมบัติของพวกเขาซึ่งจะช่วยให้พวกเขามีขนาดเล็กและราคาถูก และนั่นอาจทำให้พวกเขาเป็นทางเลือกที่พลังงานสูงแบตเตอรี่ '

ในระดับพื้นฐานที่สุดของแบตเตอรี่ที่ทำจากโลหะสองขั้วไฟฟ้า ( ขั้วบวกและขั้วลบ ) กับบางส่วนของโซลูชั่นระหว่างพวกเขา ( อิเล็กโทรไลต์ ) เมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จ อิเล็กโทรไลต์ประจุเก็บไว้ในขั้วบวก เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่การปล่อยไอออนออกจากขั้วบวกและย้ายข้ามแบตเตอรี่เคมี ปฏิกิริยา กับ ขั้วลบ อิเล็กตรอนที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยานี้เดินทางผ่านวงจรภายนอกสร้างกระแสไฟฟ้า .

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์คล้ายกับแบตเตอรี่ที่สามารถสร้างและเก็บกระแสไฟฟ้า แต่แตกต่างจากแบตเตอรี่ การเก็บและปล่อยพลังงานไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมี : แทน บวกและลบ ไอออนสารละลายอิเล็กโทรไลต์เพียง ' ติด ' ไปยังพื้นผิวของขั้วไฟฟ้า เมื่อซูเปอร์คาปาซิเตอร์ถูกกล่าวหา .เมื่อซูเปอร์คาปาซิเตอร์ถูกปลดอำนาจอุปกรณ์ไอออนสามารถ ' กระโดด ' ปิดพื้นผิวและย้ายกลับเข้ามาในอิเล็กโทรไลต์

เหตุผลที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ค่าใช้จ่ายและการปล่อยเร็วกว่าที่ ' เกาะ ' และ ' กระโดด ' กระบวนการเกิดขึ้นเร็วกว่าปฏิกิริยาทางเคมีที่ทำงานในแบตเตอรี่

To เพิ่มพื้นที่ไอออนที่จะติดเราใส่ขั้วไฟฟ้าคาร์บอนที่มีรูเล็กๆ เหมือนคาร์บอน ' ' ฟองน้ำ กริฟฟิน แต่มันก็ยากที่จะรู้ว่าสิ่งที่จะทำไอออนภายในหลุมภายในขั้ว . . . เราไม่รู้ว่าอะไรจะเกิดขึ้นเมื่อพวกเขามีปฏิสัมพันธ์กับผิวค่ะ

ในการศึกษาใหม่ , นักวิจัยที่ใช้คุณลักษณะข้างในการทำงานซูเปอร์คาปาซิเตอร์อุปกรณ์เพื่อดูว่าพวกเขาคิดและพลังงานที่เก็บ .พวกเขายังใช้ชนิดของเครื่องชั่งไฟฟ้าเล็ก ๆที่เรียกว่าผลึกควอทซ์ microbalance ( eqcm ) เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงมวลเล็กน้อยเป็นล้านของกรัม

โดยการใช้สองชุดของข้อมูลและวางไว้ด้วยกัน นักวิจัยสามารถสร้างภาพที่ชัดเจนของสิ่งที่เกิดขึ้นภายในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ในขณะที่ค่าใช้จ่าย

ถ้าเป็นแบตเตอรี่สองขั้วไฟฟ้าเป็นวัสดุที่แตกต่างกัน กระบวนการต่าง ๆ ดังนั้น ในงาน ' ' กริฟฟิน ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ สองขั้วไฟฟ้าที่ทำจากคาร์บอนที่มีรูพรุนเหมือนฟองน้ำ ดังนั้นคุณคิดว่ากระบวนการเดียวกันจะใช้สถานที่ที่ทั้งสอง . . . แต่ปรากฏว่าชาร์จกระเป๋ากระบวนการในอุปกรณ์จริงมันซับซ้อนมากกว่าที่เราคิดไว้ก่อนหน้านี้ทฤษฎีก่อนหน้านี้ได้รับการทำโดยการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ -- ไม่มีใครสังเกตนี้ใน ' ชีวิตจริง ' ก่อน '

เกิดการทดลองพบว่าขั้วไฟฟ้าสองตัวต่างกัน ในขั้วไฟฟ้าลบ มีคาด ' ติด ' กระบวนการและประจุบวกจะดึงดูดกับพื้นผิวเป็นซูเปอร์คาปาซิเตอร์ค่า แต่ในขั้วไฟฟ้าบวกไอออนแลกเปลี่ยน ' ' เกิดขึ้นเป็นประจุลบจะดึงดูดกับพื้นผิว ในขณะที่ในเวลาเดียวกัน ประจุบวกถูกขับไล่ไปจากผิว

นอกจากนี้ eqcm ถูกใช้เพื่อตรวจหาการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆในน้ำหนักของขั้วไฟฟ้าเป็นประจุเข้าและออกจาก ทำให้นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าตัวทำละลายโมเลกุลยังมาพร้อมกับไอออนเข้าไปในขั้วไฟฟ้าเป็นค่า

' ตอนนี้เราสามารถถูกต้องนับจํานวนของไอออนที่เกี่ยวข้องในกระบวนการที่เก็บค่าธรรมเนียมและดูในรายละเอียดว่าพลังงานจะถูกเก็บไว้ , ' ' กริฟฟิน ในอนาคตเราสามารถดูวิธีการเปลี่ยนแปลงขนาดของหลุมในขั้วไฟฟ้าไอออนที่ชาร์จและคุณสมบัติการเปลี่ยนแปลงกลไก วิธีนี้เราสามารถปรับคุณสมบัติขององค์ประกอบทั้งสองเพื่อเพิ่มปริมาณของพลังงานที่ถูกเก็บไว้ '
.
ขั้นตอนต่อไปว่าศาสตราจารย์ แคลร์ หน้าสีเทา ผู้เขียนอาวุโสบนกระดาษ " คือการใช้วิธีการใหม่นี้จะเข้าใจว่าทำไมไอออนที่แตกต่างกันงานต่างกันในการชาร์จหนึ่งในที่สุดการออกแบบระบบด้วย capacitances ที่สูงมาก . . .

เงินทุนสำหรับโครงการที่ได้รับจาก UK สภาวิจัยด้านวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์ทางกายภาพและ ยุโรปคณะกรรมการวิจัย .