手机/电脑在1分钟内可充满电？电动汽车也只用10分钟就可充满？

美国科罗拉多大学化学工程师安库尔·古普塔发现了描述超级电容器中离子运动的“缺失环节”，修正了已存在近200年的基尔霍夫定律，从而让科学家们能够模拟和预测离子在多孔材料中的运动，有望开发出让手机笔记本电脑1分钟充满电，电动汽车10分钟充满电的超级电容器。

平均来说，超级电容器充放电速度可以比锂离子电池快10倍，但储存能量也只有锂离子电池的1/10，从而让电容器取代商业锂离子电池变得完全不可行。这是由1845年发现的基尔霍夫定律决定的，这个定律主要用于描述电流和电压，但它只适用于单个孔隙中的电子运动，无法准确预测离子在多孔材料中的行为。

古普塔发现，离子在孔隙交叉处的移动与基尔霍夫定律所描述的不同，它既受电场影响，也会受到扩散的影响。古普塔因而通过应用化学工程技术，开发了一种新模型，在不影响精度的情况下，将数值计算速度提高了6个数量级，可以在几分钟内模拟和预测离子在一个由数千个相互连通的孔隙组成的复杂网络中的运动。这意味着科学家们可以更有效地预测离子运动，开发出具有更高储能潜力的超级电容器。

简单来说，就是古普塔解决了基尔霍夫定律的局限，发现了离子在多孔材料中的运动方式，从而为开发能存储更多能量的超级电容器奠定了基础，科学家们有望借此开发出储能媲美锂离子电池，但充放电速度和循环寿命都远超锂离子电池的新的储能设备。

如果这一理论得到实际应用，不仅可能彻底改变手机、笔记本、电动汽车的储能方式，对正在蓬勃发展的人工智能和机器人领域也将产生重大影响，而它最重要的影响可能还在电网上，因为这种极为高效的充放电储能，可以快速响应电网的削峰填谷要求，让电网变得更加稳定。

这项研究发表在5月24日《美国国家科学院院刊》上。

标题：A network model to predict ionic transport in porous materials

链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2401656121

出处：头条号 @徐德文科学频道