تغطية شاملة

تحسين كفاءة خلية الوقود المكونة من مواد ذات "موصلية أيونية عالية"

يمكن لمادة حديثة تم وصفها في المختبر الوطني التابع لوزارة الطاقة في إسبانيا أن تفتح الطريق نحو خلايا وقود أكثر كفاءة

بنية الواجهة المنظمة والمدمجة التي تحتوي على العديد من مسارات التوصيل الأيوني
بنية الواجهة المنظمة والمدمجة التي تحتوي على العديد من مسارات التوصيل الأيوني

تقول الباحثة ماريا فاريلا، التي وصفت بنية البلورة الفائقة التي طورها العلماء في إسبانيا، إنها حسنت الموصلية الأيونية المعروفة عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة بعامل 100 مليون، بينما عرضت "خصائص زيادة هائلة في الموصلية الأيونية". المادة الجديدة بالتعاون مع الباحث ستيفن بينيكوك.

تم إجراء التوصيف باستخدام مجهر إلكتروني ماسح ضوئي على شكل Z بقوة 300 كيلو فولت، وهو قادر على تحقيق دقة مصححة لإلغاء تركيز أشعة الضوء بالقرب من 0.6 أنجستروم، وهو رقم قياسي عالمي حتى وقت قريب. وتظهر الصور المباشرة التركيب البلوري الذي يفسر موصلية المادة.

يقول الباحث: "إنه أمر مذهل". "نحن قادرون على رؤية بنية الواجهة المنظمة والمدمجة التي تحتوي على العديد من مسارات التوصيل الأيوني."

تتطلب تكنولوجيا خلايا الوقود التي تتكون من أكسيد صلب مواد موصلة للأيونات - إلكتروليتات صلبة - تسمح لأيونات الأكسجين بالانتقال من الكاثود إلى القطب الموجب. ومع ذلك، تفتقر المواد الموجودة إلى تجاويف ذات حجم ذري واسعة بما يكفي لتوفير مسار سريع للأيون، وهو أكبر بكثير من الإلكترون على سبيل المثال.

"إن المادة ذات الطبقات الجديدة تحل المشكلة الحالية من خلال الجمع بين مادتين لهما هياكل بلورية مختلفة تمامًا. ويوضح الباحث أن عدم التطابق بين هذه الهياكل المختلفة يؤدي إلى تشويه في الترتيب الذري للطبقة البينية بينها وبالتالي إنشاء قنوات واسعة بما فيه الكفاية تسمح للأيونات بالتحرك بسرعة.

ومن ناحية أخرى، في المواد الأخرى المستخدمة في خلايا الوقود، "تضطر" الأيونات إلى التحرك في قنوات أضيق بكثير ولها مساحات أصغر، بحيث يتباطأ معدل حركتها. بدلاً من إجبار الأيونات على "القفز" من ثقب إلى ثقب، تحتوي المادة الجديدة على العديد من الثقوب الكبيرة وبالتالي تكون الأيونات أكثر حرية في التحرك بين الأقطاب الكهربائية، مما يؤثر بالطبع على الموصلية الإجمالية.

وعلى عكس المواد السابقة المستخدمة في خلايا الوقود، والتي تتطلب درجة حرارة عالية لنقل الأيونات، تحافظ المادة الجديدة على الموصلية الأيونية حتى عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة. كانت الحاجة إلى درجات حرارة عالية أحد العوائق أمام تطوير خلايا وقود أكثر كفاءة.

بيان صحفي للمختبر الوطني

تعليقات 12

  1. اسد،

    الحركة هي للأيونات وليست للإلكترونات. يبدو لي أنك تخلط بين العمليات التي تحدث في الامتيازات والرهونات البحرية وحركة الثقوب.
    في الواقع، يجب أن يكون المنحل بالكهرباء غير موصل لأنه بعد ذلك سيحدث قصر
    السبت شالوم.

  2. اسد:
    وبقدر ما أعرف، فهي في الواقع حركة الحمام كله.
    بالإضافة إلى حقيقة أن المادة المستخدمة ككهارل هي مادة مختلفة عن تلك التي اشتقت منها الأيونات وأن نموذجك لا يستطيع تفسير كيفية مرور الأيون الأول في مثل هذه البيئة، فقد ورد في المقالة أن بيت القصيد هو وجود فجوات كبيرة بما يكفي لمرور الأيونات.

  3. إلى روي وشعبي
    يبدو لي، أنا وروي، أخبرني إذا كنت تعتقد أن هذا صحيح، أن حركة الأيونات الموجبة في المنحل بالكهرباء ليست في الواقع حركة الأيونات، ولكنها حركة الإلكترونات في الاتجاه المعاكس، أي إذا كان هناك أيون موجب، يقفز إليه إلكترون من الذرة المجاورة، فيصبح أيونا. يشبه الأمر في أشباه الموصلات الحديث عن حركة الثقوب - وهو نقص الإلكترونات.

  4. لاحظ أنه تم تحسين الموصلية بمقدار 8 أوامر من حيث الحجم، وليس سرعة الأيون.
    السرعة تعتمد على العديد من العوامل الأخرى.
    وبشكل عام فإن كفاءة خلية الوقود لا تعتمد فقط على سرعة مرور الأيونات عبر الوسط.
    أكبر مشكلة اليوم مع هذه التكنولوجيا هي التخزين.
    تعتمد الحلول المقدمة اليوم على الضغوط العالية (أكثر من 100 ضغط جوي)
    ولا تزال قادرة على تخزين ما يكفي من الوقود لمسافة 100 كيلومتر فقط.
    يؤدي هذا إلى تغيير عملية تخزين ونقل dalclicker بشكل جذري.

  5. لنبدأ بحقيقة أن معرفتي تأتي من البطاريات، لكن المبادئ هي نفسها...
    فيما يتعلق بالسؤال الأول، فهم يستخدمون إلكتروليتًا صلبًا وليس مائيًا، وبالتالي فإن بيانات الانتشار هذه غير صحيحة (في القراءة الثانية، لم يذكروا الوسط الذي أخذوا البيانات عنه)، بالإضافة إلى أن الانتشار هو حركة إحصائية غير موجهة، هنا لديك مجال كهربائي تم إنشاؤه بسبب فرق الجهد، والذي يمكن أن يزيد السرعة (في الواقع يخلق حركة موجهة).
    بشكل عام، المشكلة الرئيسية هي ترتيب حجم معامل الانتشار، وهو منخفض نسبيًا (مقارنة بالتوصيل الإلكتروني في سلك كهربائي). معامل الانتشار يعتمد على أشياء كثيرة، على سبيل المثال كما قلت درجة الحرارة. يمكنك أيضًا إضافة قطر الأيون الذي يمر عبر الوسط، وقوى الجذب/التنافر بين الأيون والكهارل، وتركيز الأيون في الكهارل، وشحنة الكهارل إن وجدت، وبنية الكهارل وغيرها الكثير. اشياء اخرى.
    إذا كنت تتخيل إلكتروليتًا صلبًا، فإن الأمر يشبه تلك الألعاب حيث تقوم برمي عملة معدنية في آلة مليئة بالدبابيس وتقع العملة بين الدبابيس وتصطدم بها. إن قوة الجاذبية التي تدفع العملة توازي المجال الكهربائي، والمسافة بين المسامير تحاكي حجم القنوات التي يجب أن يمر عبرها أيون الأكسجين. إذا لم يكن لديك دبابيس، فسوف تمر العملة مباشرة بأقصى سرعة
    إذا قمت بوضع الكثير من الدبابيس، فستستغرق العملة وقتًا طويلاً للوصول، هذا إن وجدت.
    وجد العلماء في هذه الدراسة إلكتروليتًا لا يحتوي على دبابيس تقريبًا.
    الآن فهمت أن هذا ليس ما قصدته بالضبط..
    ما طلبته هو أبسط من ذلك بكثير.
    يمكنك إجراء تجربة فكرية والحصول على الحد الأدنى من حجم الاختلافات. دعونا ننسى للحظة كل هذا الانتشار والاعتراضات وأنواع الخضار الأخرى.
    لدينا إلكترون وأيون ليثيوم (أي أن شحنة كل منهما متساوية في القيمة المطلقة)، كما هو الحال في أي بطارية قياسية قابلة لإعادة الشحن. نفس الإمكانات، أي نفس القوة، تعمل على كليهما. ستكون النسبة بين سرعات الإلكترون وأيون الليثيوم هي جذر نسبة الكتلة:
    m(1)*v(1)^2= m(2)*v(2)^2
    نسبة السرعة التي حسبتها بطريقة حسابية تقريبية إلى حد ما تبلغ حوالي 110 أضعاف، أي ضعفين من حيث الحجم.
    وفي الحالة المثالية.
    صحيح أن الإلكترون أيضًا لديه مقاومة للمرور، لكن هذا لا يقارن بالمقاومة التي يمتلكها الأيون. من حيث حجم كليهما - الأيون أكبر بكثير.

    أما السؤال الثاني فيبدو لي أن له جانبا فلسفيا من بين أمور أخرى. لا يوجد فرق بين الأيون والذرة إلا في الشحنة، لكن يجدر التأكيد على أن الأمر يتعلق بالقوى الكهربائية، وأعتقد أنه من الجدير بالذكر أن الجسيم المتحرك له شحنة كهربائية.

    آمل أن أكون ساعدت 🙂
    روي

  6. عامي
    تركتونا الحمام بلا حمولة..
    مثيرة للاهتمام.
    تحياتي المتعطشة للمعلومات السرية :) في لغز..
    =

  7. شكرا على التوضيح روي. ما حسم كل شيء بالنسبة لي في شرحك هو كلمة "المنحل بالكهرباء" (على الرغم من أنه لا يزال هناك احتمال بأنني فهمت شيئًا خاطئًا). لقد قاموا بتحسين المنحل بالكهرباء. انه في غاية الجمال.

    وفقا للحسابات القياسية والمشهورة، فإن السرعة القصوى للأكسجين الجزيئي في وسط مائي في درجة حرارة الغرفة هي حوالي 70 ميكرون في الثانية (وهذا ما يسمى باللغة العبرية: الانتشار). في درجات الحرارة المرتفعة، بطبيعة الحال، تكون السرعة أكبر. لكن لنفترض للحظة 70 ميكرون في الثانية. إذا قاموا بتحسين هذه السرعة، بفضل الإلكتروليت، بمقدار ثمانية أوامر من حيث الحجم، فعندئذ في عملية حسابية معقدة وغير مسبوقة سأصل إلى 70 وعشرة ناقص 14 من الثانية (من أجل الأمر، لنفترض أن تحسنهم جاء من جزء صغير) ثانية إلى بيكو ثانية).

    سؤالي هو: ما هو عنق الزجاجة في تفاعلات خلايا الوقود؟ ما هي، بخلاف سرعة الأيون، السرعة المنخفضة التي تتبع عملية الاحتراق/التوصيل/العمليات الأخرى؟ هل البيكو ثانية كثيرة أم قليلة، دعنا نقول بالنسبة إلى سرعة توصيل الإلكترون في سلك ذهبي عند درجة حرارة مائة درجة؟ بشكل عام، ما هي مستويات الحجم التي يجب الوصول إليها؟

    السؤال الثاني وغير المرتبط به، ولكنه مثير للاهتمام لغويا: الفرق بين الأيون والذرة التي لا ينقص غلافها الخارجي من المدارات، واضح ومعروف. السؤال هو في الواقع هل يمكن أن يسمى الأيون ذرة؟ بالطبع، الأيون معتم، لكنه معتم بالشحنة...

    أوه، لقد تلقيت مكالمة هاتفية في المنتصف وانقطع حبل أفكاري وانقطع معه الدافع للكتابة.
    السؤال الثاني يمكن التنازل عنه. ربما ليس على الأول.

    مع التعطش للمعلومات،
    عامي بشار

  8. إلى شعبي،
    تعمل خلايا الوقود مثل البطارية إلى حد كبير، حيث تأخذ مادة محايدة مثل الأكسجين في خلايا الوقود أو الليثيوم في البطاريات، ويفصل عنها إلكترونًا بدلاً من X. تقوم بنقلهما إلى مكان واحد ذي إمكانات كيميائية أقل (وإلا فلن يتم "تحفيزهما" على التحرك) وربطهما بمركب آخر.
    الجزء الذي يتحلل فيه إلى أيون موجب (وليس ذرة) والإلكترون يعرف باسم الأنود. الجزء الذي يجتمعون فيه يسمى الكاثود.
    الآن، لنقل الإلكترون الذي فصلته، تستخدم سلكًا، حيث يتدفق التيار فعليًا - التيار هو الإلكترونات التي تنقلها (والجهد هو فرق الجهد الكيميائي بين الأنود والكاثود). لا يمكنك نقل الأيونات الموجبة عبر كابل، فهي تحتاج إلى وسط آخر، والذي يُعرف أيضًا باسم المنحل بالكهرباء، وهذا هو في الواقع الوسيط الذي ابتكروه. نظرًا لأنه لا يمكنك نقل إلكترون فقط، ولكن يجب عليك نقل كليهما، فإن أي تحسن في التوصيل الأيوني سيساعدك على تقليل المقاومة الإجمالية للخلية ويجعلها أكثر كفاءة.

    ماذا؟؟؟،
    في العبرية، تمكنوا من التوصل إلى دقة جيدة، وسوف يجيبون تقريبًا أنهم قادرون على رؤية أحجام الذرات الفردية - حجم الذرة حوالي أنجستروم، ويمكنهم فصل جسيمين تتجاوز المسافة بينهما 0.6 أنجستروم. شخص رائع؟

  9. "تم إجراء التوصيف باستخدام مجهر إلكتروني ماسح ضوئي على شكل Z بقوة 300 كيلو فولت، وهو قادر على تحقيق دقة مصححة - إلغاء تركيز أشعة الضوء بالقرب من 0.6 أنجستروم، وهو رقم قياسي عالمي حتى وقت قريب. الصور المباشرة أظهر التركيب البلوري الذي يفسر موصلية المادة."
    هل هذه الفقرة مكتوبة بالعبرية؟؟؟

  10. تعلمت من هذا المقال أن الحمام بحاجة للذهاب. حتى الآن، اعتقدت دائمًا أنهم يتعاملون مع توصيل الإلكترون، والآن يتعلق الأمر بتوصيل الذرة. ليس لدي أي فكرة عن فائدته وكيف تعمل فيزياءه في خلايا الوقود، ولكن أعتقد أن "التحسين" كلمة إيجابية وثمانية مرات من حيث الحجم هو كثير.

    تحيات أصدقاء،
    عامي بشار

ترك الرد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها *

يستخدم هذا الموقع Akismat لمنع الرسائل غير المرغوب فيها. انقر هنا لمعرفة كيفية معالجة بيانات الرد الخاصة بك.