חומר חדיש שאופיין במעבדה הלאומית של משרד האנרגיה בספרד יוכל לפתוח דרך אל עבר תאי דלק יעילים יותר
גביש-על שפותח ע”י מדענים בספרד, שיפר את המוליכות היונית המוכרת בטמפרטורה הקרובה לטמפרטורת החדר בפקטור של 100 מיליון, תוך שהוא מציג “תכונות של הגברה עצומה במוליכות היונית,” אומרת החוקרת Maria Varela, אשר אפיינה את מבנה החומר החדש יחד עם החוקר Stephen Pennycook.
האפיון נעשה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני משדר-סורק בעל ניגודיות-Z בעוצמה של 300 קילווולט, המסוגל להשיג כושר-הפרדה מתוקן-חוסר מיקוד קרני-אור הקרוב ל- 0.6 אנגסטרום, עד לאחרונה – שיא עולמי. התמונות הישירות מציגות את המבנה הגבישי המסביר את מוליכות החומר.
“זה מדהים,” אומרת החוקרת. “אנו מסוגלים לראות את מבנה הממשק המאורגן והדחוס המכיל מסלולים רבים עבור מוליכות היונים.”
טכנולוגיה של תא-דלק המורכב מתחמוצת מוצקה נדרשת לחומרים מוליכי-יונים – אלקטרוליטים מוצקים – המאפשרים ליוני חמצן לנדוד מהקתודה לאנודה. אולם, חומרים קיימים חסרים חללים בקנה-מידה אטומי הרחבים דיים לספק מסלול מהיר ליון, הגדול הרבה יותר, לדוגמא, מאלקטרון.
“החומר השכבתי החדש פותר את הבעיה הנוכחית באמצעות שילוב של שני חומרים בעלי מבנים גבישיים שונים לחלוטין. חוסר-ההתאמה בין מבנים שונים אלו מוביל לעיוות בסידור האטומי של שכבת הממשק ביניהם ויוצר ע”י כך אפיקים מספיק רחבים המאפשרים ליונים לנוע במהירות,” מסבירה החוקרת.
בחומרים אחרים המשמשים לתאי-דלק, לעומת זאת, היונים “מאולצים” לנוע באפיקים צרים הרבה יותר ובעלי חללים קטנים יותר, כך שקצב התנועה שלהם מואט. במקום לאלץ את היונים “לקפוץ” מחור לחור, החומר החדש מכיל חורים גדולים ורבים וכך היונים חופשיים הרבה יותר לנוע בין האלקטרודות, מה שכמובן משפיע על המוליכות הכוללת.
שלא כבחומרים קודמים המשמשים לתאי-דלק, הנדרשים לטמפרטורה גבוהה לשם הולכת היונים, החומר החדש שומר על מוליכות יונית גם בטמפרטורה הקרובה לטמפרטורת החדר. הצורך בטמפרטורה גבוהה היה אחד מהמחסומים להתפתחותם של תאי-דלק יעילים יותר.
12 תגובות
מארי:
אטום הוא ניטרלי מבחינה חשמלית ויון נושא מטען (חיובי או שלילי) ויכול גם להכיל חלקים מיותר מאשר אטום אחד.
להרחבה ראי כאן:
http://en.wikipedia.org/wiki/Ion
מהו ההבדל בין יון לאטום ?
אריה,
התנועה היא של יונים, לא של אלקטרונים. נראה לי שאתה מבלבל בין התהליכים שמתרחשים במל"מ, עם תנועה של חורים.
למעשה, האלקטרוליט חייב להיות לא מוליך חשמל מכיוון שאז יקרה קצר
שבת שלום.
אריה:
למיטב ידיעתי דווקא כן מדובר בתנועה של יונים שלמים.
מעבר לעובדה שהחומר המשמש כאלקטרוליט הוא חומר אחר מזה שממנו נגזרו היונים והמודל שלך לא יכול להסביר איך בסביבה כזו עובר היון הראשון, הרי כתוב במאמר שכל העניין הוא בקיומם של מרווחים שהם מספיק גדולים להעברת היונים.
לרועי ועמי
נראה לי, ותגיד לי רועי אם אתה סבור שזה נכון, שתנועת יונים חיוביים באלקטרוליט אינה למעשה תנועה של היונים, אלא תנועה של אלקטרונים בכיוון ההפוך, כלומר אם יש יון חיובי, אלקטרון קופץ אליו מהאטום הסמוך שהופך בכך ליון. זה כמו במוליכים למחצה שמדברים על תנועת החורים – שזה חוסר אלקטרונים.
רשום שהמוליכות שופרה ב 8 סדרי גודל, לא מהירות היונים.
המהירות תלויה בעוד הרבה גורמים.
ובכלל יעילות תא דלק לא תלויה רק במהירות היונים העוברים בתווך.
הבעיה הגדולה ביותר כיום עם טכנולוגיה זו היא אחסון.
הפתרונות המוצעים כיום מסתמכים על לחצים גבוהים (מעל 100 אטמוספרות)
ועדיין מצליחים לאחסן דלק המספיק רק ל 100 ק"מ.
דבר זה הופך את האחסון וההובלה של הדלקליקר באופן קיצוני.
נתחיל מזה שהידע שלי בא מסוללות, אבל העקרונות הם אותו דבר…
לגבי השאלה הראשונה, הם משתמשים באלקטרוליט מוצק ולא מיימי, לכן נתוני הדיפוזיה האלה לא נכונים (בקריאה שנייה, הם לא אמרו את התווך שלגביו לקחו את הנתונים), בנוסף דיפוזיה היא תנועה סטטיסטית לא מכוונת, פה יש לך שדה חשמלי שנוצר עקב ההפרש פוטנציאלים, מה שיכול להגביר את המהירות (למעשה ליצור תנועה מכוונת).
בגדול הבעיה העיקרית היא הסדר גודל של המקדם דיפוזיה שיחסית נמוך (לעומת הולכה אלקטרונית בחוט חשמל). מקדם הדיפוזיה תלוי בהרבה דברים, למשל כמו שאמרת טמפ’. אפשר להוסיף גם קוטר היון שעובר את התווך, כוחות משיכה/דחייה בין היון לאלקטרוליט, ריכוז היון באלקטרוליט, מטען האלקטרוליט במידה ויש, מבנה האלקטרוליט ועוד הרבה דברים.
אם לדמות אלקטרוליט מוצק, הוא דומה למשחקים האלה שאתה מטיל מטבע למכונה המלאה פינים והמטבע נופל בין הפינים ומתנגש בהם. כוח המשיכה שדוחף את המטבע מקביל לשדה החשמלי והמרחק בין הפינים מדמה את גודל התעלות שיש ליון החמצן לעבור דרכן. אם לא היו לך פינים, המטבע היה עובר ישר במהירות מקסימלית
אם תשים הרבה פינים, למטבע ייקח זמן רב להגיע להגיע אם בכלל.
המדענים במחקר הזה מצאו אלקטרוליט שאין בו כמעט פינים.
עכשיו אני מבין שלא בדיוק לזה התכוונת…
מה ששאלת זה הרבה יותר פשוט.
אתה יכול לעשות ניסוי מחשבתי ולקבל את סדר הגודל המינימלי של ההבדלים. בוא לרגע נשכח מכל הדיפוזיה התנגדויות ושאר מני ירקות.
יש לנו אלקטרון ויון ליתיום (כלומר המטען של שניהם שווה בערכו המוחלט), כמו בכל סוללה נטענת סטנדרטית. על שניהם פועל את אותו פוטנציאל, כלומר אותו כח. היחס בין המהירויות של האלקטרון לבין היון ליתיון יהיה שורש יחס המסות:
m(1)*v(1)^2= m(2)*v(2)^2
היחס מהירויות שאני חישבתי בחישוב די גס הוא בסביבות פי 110, כלומר שני סדרי גודל.
וזה במקרה האידיאלי.
עכשיו נכון שגם לאלקטרון יש התנגדות לעבור, אבל זה כלום לעומת ההתנגדות שיש ליון. מבחינת הגודל של שניהם- היון הרבה יותר ענק.
לגבי השאלה שנייה, נראה לי שיש לה צד פילוסופי בין היתר. אין הבדל בין יון לאטום חוץ מהמטען, אבל כדאי להדגיש שמדובר פה על כוחות חשמליים אני חושב שראוי לציין שיש לחלקיק הנע מטען חשמלי.
מקווה שעזרתי 🙂
רועי
עמי
הותרת אותנו יונים חסרי מטען..
מעניין.
בברכת צמאים למידע חסוי:) בפאזל..
=
תודה על ההסבר רועי. מה שסידר לי הכל בהסבר שלך היה המילה “אלקטרוליט” (אם כי יש עדיין סיכוי שהבנתי משהו לא נכון). הם שיפרו את האלקטרוליט. זה יפה מאוד.
לפי חישובים סטנדרטיים ומפורסמים, מהירותו המקסימלית של חמצן מולקולרי בתווך מימי בטמפ’ החדר היא בסדר גודל של 70 מיקרון לשניה (זה מה שקוראים בעברית: דיפוזיה). בטמפ’ גבוהות כמובן שהמהירות גדולה יותר. אבל נניח לרגע 70 מיקרון לשניה. אם שיפרו את המהירות הזו, בזכות האלקטרוליט בשמונה סדרי גודל, הרי שבחישוב מסובך וחסר תקדים אני מגיע ל- 70 עשר במינוס 14 של השניה (לצורך העניין נניח שהשיפור שלהם הוא ממיקרו שניה לפיקו שניה).
השאלה שלי היא: מה צוואר הבקבוק בריאקציות של תאי דלק? מה, למעט מהירות היונים, היא המהירות הנמוכה שמעקבת את השריפה/הולכה/תהליך אחר? האם פיקו-שניה זה הרבה או מעט, נניח ביחס למהירות הולכת אלקטרון בחוט זהב בטמפ של מאה מעלות? בגדול, מה הם סדרי הגודל שיש להגיע אליהם?
השאלה השניה והלא קשורה, אבל מעניינת מבחינה סמנטית: ההבדל בין יון לבין אטום שהמעטפת האורביטלים החיצונית שלו לא חסרה, ברורה וידועה. השאלה היא למעשה האם יון יכול להיקרא אטום? כמובן שיון הוא אטום, אבל אטום עם מטען…
אוי, הייתה לי שיחת טלפון באמצע ונקטע לי חוט המחשבה ואיתו המוטיבציה לכתוב.
על השאלה השניה אפשר לוותר. על הראשונה אולי לא.
בברכת צמאים למידע,
עמי בכר
לעמי,
תאי דלק עובדים כמו סוללה בגדול, לוקחים חומר נייטרלי למשל חמצן בתאי דלק או ליתיום בסוללות, ומפרידים ממנו אלקטרון במקום איקס. אתה מעביר את שניהם למקום אחד עם פוטנציאל כימי יותר נמוך (אחרת לא תהיה להם "מוטיבציה" לעבור) ומחבר אותם לתרכובת אחרת.
החלק שבו הם מתפרקים ליון חיובי (ולא אטום) ואלקטרון מוכר בשם אנודה. החלק שבו הם מתאחדים נקרא קטודה.
עכשיו, כדי להעביר את האלקטרון שהפרדת, אתה משתמש בחוט, שבו למעשה זורם הזרם- הזרם הוא האלקטרונים שאתה מעביר (והמתח הוא הפרש הפוטנציאלים הכימיים בין האנודה לקטודה). את היונים החיוביים אתה לא יכול להעביר באמצעות כבל, בשבילהם אתה צריך תווך אחר,שמוכר גם בשם אלקטרוליט, זה למעשה התווך שפה הם חידשו. בגלל שאתה לא יכול להעביר רק אלקטרון, אלא חייב להעביר את שניהם, כל שיפור של ההולכה היונית יעזור לך להקטין את ההתנגדות הכללית של התא ולמעשה לייעל אותו יותר.
מה???,
בעיברית, הם הצליחו להגיע לרזולוציה אחו-שרמוטה טובה, יענו בערך הם מסוגלים לראות גדלים של אטומים בודדים- גודל אטום הוא בסביבות אנגסטרום, והם יכולים להפריד בין שני חלקיקים שהמרחק בינהם עולה על 0.6 אנגסטרם. סבבה אחי?
"האפיון נעשה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני משדר-סורק בעל ניגודיות-Z בעוצמה של 300 קילווולט, המסוגל להשיג כושר-הפרדה מתוקן-חוסר מיקוד קרני-אור הקרוב ל- 0.6 אנגסטרום, עד לאחרונה – שיא עולמי. התמונות הישירות מציגות את המבנה הגבישי המסביר את מוליכות החומר."
הפסקה הזאת כתובה בעברית???
למדתי מהמאמר הזה שיש צורך שיונים יולכו. עד עכשיו תמיד חשבתי המתעסקים סביב הולכת אלקטרון ועכשיו מדובר בהולכה של האטום. אין לי מושג בשביל מה זה טוב ואיך פועלת הפיזיקה של זה בתאי דלק, אבל אני מניח ש "שיפור" היא מילה חיובית וששמונה סדרי גודל זה המון.
בברכת חברים,
עמי בכר