سولارابيك، روسيا – 6 أبريل 2025: كشف فريق من العلماء الروس عن نتائج بحثية مهمة قد تسهم في تعزيز قدرات تخزين الطاقة للمكثفات الفائقة، وهي مكونات حيوية تكتسب أهمية متزايدة في تطبيقات متنوعة تمتد من السيارات الكهربائية إلى شبكات الطاقة. توصل الباحثون إلى أن معالجة أقطاب المكثفات المصنوعة من مادة كربونية محددة، باستخدام بلازما مكونة من مزيج دقيق من غازي النيتروجين والأرغون، تنجح في مضاعفة سعتها الكهربائية المساحية، مما يفتح الباب أمام تطوير مكثفات أكثر كفاءة وقدرة على تخزين كميات أكبر من الطاقة.
تجارب دقيقة تكشف فعالية مزيج بلازما محدد
أجرى العلماء من معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا (سكولتك) ومعهد تكنولوجيا النانو للإلكترونيات الدقيقة التابع لأكاديمية العلوم الروسية ومراكز أخرى، سلسلة من التجارب الدقيقة لفهم تأثير المعالجة بالبلازما على أقطاب المكثفات الفائقة المصنوعة من “جدران الكربون النانوية”. اختبر الفريق ستة تركيبات كيميائية مختلفة للبلازما، ليجدوا أن مزيج النيتروجين والأرغون تحديدًا هو الذي أحدث التأثير الإيجابي المطلوب، حيث أدى إلى تعديل خصائص المادة الكربونية ومضاعفة سعتها الكهربائية المساحية مقارنة بالحالة الأصلية. وعلق الأستاذ المساعد ستانيسلاف إيفلاشين، الباحث الرئيسي في الدراسة من سكولتك، موضحًا أن تحسين أداء المكثفات الفائقة يعتمد بشكل أساسي على محورين: إما زيادة مساحة السطح الفعالة للأقطاب عبر تصاميم معقدة، أو إدخال ذرات دخيلة (أجنبية) إلى بنية المادة الكربونية، مؤكدًا أن دراستهم الأخيرة حققت تقدمًا في فهم تأثير إدخال هذه الذرات.
فهم أعمق لآلية عمل البلازما على المستوى الذري
لم تقتصر الدراسة على تحديد المزيج الفعال للبلازما، بل تعمقت في تفسير الآلية التي تعمل بها هذه المعالجة لتحسين أداء الأقطاب. وقد أوضح الباحثون أن عملية المعالجة ببلازما النيتروجين والأرغون تبدأ بإزالة بقايا الكربون غير المتبلور العالقة بعد عملية تصنيع جدران الكربون النانوية. يلي ذلك، قيام البلازما بإحداث عيوب جديدة ومدروسة في البنية الكربونية، والأهم من ذلك، دمج ذرات النيتروجين الدخيلة ضمن هذه البنية. وأشار إيفلاشين إلى أن الكربون غير المتبلور وذرات النيتروجين المدمجة تسهمان معًا في نشوء ما يُعرف بـ “السعة الكاذبة” (Pseudocapacitance)، وهي آلية إضافية لتخزين الشحنات تزيد من السعة الكلية للمكثف. هذا الفهم الدقيق للكيمياء الكهربائية المصاحبة للمعالجة يفتح آفاقًا جديدة لتحسين تصميم مواد الأقطاب للمكثفات الفائقة.
المكثفات الفائقة: دور متزايد في تخزين الطاقة والتطبيقات الحديثة
تُستخدم المكثفات الفائقة بشكل متزايد كأجهزة لتخزين الطاقة، غالبًا بالتكامل مع بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية. تتميز بقدرتها الفريدة على تخزين وتفريغ الطاقة بشكل شبه فوري، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب دفعات طاقة سريعة، مثل تشغيل محركات السيارات الكهربائية، وتفعيل أنظمة الكبح المتجدد في القطارات والمركبات لاستعادة الطاقة، ودعم الرافعات في الموانئ. كما أنها تعمل بكفاءة ضمن نطاقات حرارة واسعة، وتتمتع بعمر افتراضي طويل يقلل من الحاجة للاستبدال المتكرر، وتعتبر أكثر أمانًا من حيث مخاطر الحريق مقارنة ببعض تقنيات البطاريات. وتجد المكثفات الفائقة تطبيقات حيوية في ضمان استمرارية إمدادات الطاقة (UPS) للمستشفيات ومراكز البيانات، وتساعد في استقرار شبكات توزيع الكهرباء عبر موازنة أحمال الذروة، بالإضافة إلى دورها المحتمل في تشغيل أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) والإلكترونيات القابلة للارتداء.
تابعونا على لينكيد إن Linked–in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: skoltech
image credit: canva
