High-energy supercapacitor constructed of La-doped ZnFe₂O₄ positive electrode material and hydrophilic carbon nanotube negative electrode

في العالم الحديث، ينمو الطلب على الطاقة النظيفة والمحمولة بشكل أسرع من أي وقت مضى. نحن نعتمد على البطاريات لتشغيل كل شيء، من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية، ولكن البطاريات التقليدية لها قصور: فهي تستغرق وقتاً طويلاً للشحن وغالباً لا تستطيع إطلاق طاقتها بالسرعة الكاف Ker enough للمهام عالية القدرة. وهنا يأتي دور المكثفات الفائقة. فكر فيها كأنها "عداءو المسافات القصيرة" في عالم الطاقة. فخلافاً للبطاريات، التي تخزن الطاقة من خلال تغيرات كيميائية بطيئة في أعماق هيكلها، تقوم المكثفات الفائقة بتخزين الطاقة على سطح موادها، مما يسمح لها بالشحن والتفريغ في ثوانٍ معدودة. ومع ذلك، فقد عانت تاريخياً من صعوبة في تخزين قدر إجمالي من الطاقة مثل البطاريات. ويتمثل التحدي الذي يواجه العلماء في بناء مكثف فائق يكون سريعاً وقوياً في آن واحد، قادراً على تخزين كمية كبيرة من الطاقة دون التضحية بسرعته. وللقيام بذلك، يجب على الباحثين هندسة المواد الدقيقة داخل الجهاز لتكون ذات مساحة سطح أكبر ومسارات أفضل لتدفق الكهرباء.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة هاربين للتجارة خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال ابتكار نوع جديد من المكثفات الفائقة يجمع بين مادتين متميزتين لتعظيم الأداء. فقد ركزوا على قطب موجب مصنوع من مركب يسمى "فيريت الزنك"، المعروف بقدرته على تخزين الطاقة ولكنه يعاني غالباً من ضعف التوصيل الكهربائي. ولإصلاح ذلك، قام الفريق بتعديل المادة عن طريق إضافة كمية صغيرة من عنصر من العناصر الأرضية النادرة يسمى "اللانثانوم". لم تكن عملية "التطعيم" هذه تتم بشكل عشوائي؛ بل تحكم الباحثون بعناية في توقيت وكمية اللانثانوم المضافة لإيجاد التوازن المثالي. واكتشفوا أن معالجة المادة لمدة اثنتي عشرة ساعة مع محتوى من اللانثانوم بنسبة 0.5% أدت إلى إنشاء بنية فريدة تشبه القشور. وتحت المجهر، بدت هذه المادة كأنها كومة من الصفائح الرقيقة والخشنة بدلاً من الكرات الملساء. وهذا الشكل الطبقي الخشن أمر بالغ الأهمية لأنه يوفر مساحة سطح شاسعة لحدوث التفاعلات الكيميائية، مما يوفر للمادة فعلياً المزيد من "أماكن التوقف" للشحنة الكهربائية.

كما قام الباحثون بهندسة الجانب السالب من الجهاز باستخدام أنابيب الكربون النانوية، وهي أنابيب كربونية مجوفة ودقيقة للغاية. وبينما تتميز هذه الأنابيب بطبيعتها بالقوة والتوصيل، فقد قام الفريق بمعالجتها لتصبح "محبة للماء"، مما يعني أنها تجذب الماء. ومن خلال إضافة مجموعات كيميائية محددة إلى سطح الأنابيب، ضمنوا أن الإلكتروليت السائل — وهو محلول الماء الملحي الذي ينقل الأيونات بين الأقطاب — يمكنه ترطيب المادة بشكل مثالي. وهذا يقلل المقاومة ويسمح للأيونات بالتحرك بحرية وسرعة. وعند دمج هاتين المادتين المحسنتين في مكثف فائق غير متماثل، كانت النتائج مبهرة. فقد أظهر الجهاز قدرة عالية على تخزين الطاقة، حيث احتفظ القطب الموجب وحده بـ 426 وحدة سعة لكل جرام. والأهم من ذلك، أن آلية تخزين الطاقة كانت تهيمن عليها التفاعلات السطحية بدلاً من الانتشار البطيء، مما يعني أن الجهاز يمكنه الشحن والتفريغ بسرعة دون فقدان الكثير من الكفاءة.

تم اختبار أداء هذا الجهاز الجديد تحت ظروف صارمة لمعرفة مدى صموده بمرور الوقت وتحت الضغط. فعند شحن وتفريغ المكثف الفائق بسرعات عالية، حافظ على قدرة قوية على تخزين الطاقة، مما أثبت أن آلية التحكم السطحي تعمل كما هو مخطط لها. وحتى بعد دورات تشغيل بلغت عشرة آلاف مرة عند تيار عالٍ، احتفظ الجهاز بأكثر من 83% من سعته الأصلية، مما يشير إلى أن المواد كانت مستقرة ومتينة. لقد تفوق الجهاز النهائي على العديد من أنظمة تخزين الطاقة المماثلة من حيث كثافة الطاقة (أي مقدار الطاقة التي يمكنه حملها) وكثافة القدرة (أي مدى سرعة إطلاق تلك الطاقة). ومن خلال النجاح في الجمع بين قطب موجب من فيريت الزنك المطعّم باللانثانوم وأنابيب الكربون النانوية المحبة للماء، وضع الباحثون مخططاً لجيل جديد من المكثفات الفائقة التي قد تعمل يوماً ما على تشغيل المركبات الكهربائية والإلكترونيات المحمولة بسرعة وكفاءة أكبر مما تسمح به التقنيات الحالية.