Als het gaat om het ontwerpen en optimaliseren van mechanische systemen, wetenschappers begrijpen de fysieke wetten die hen omringen goed genoeg om computermodellen te maken die hun eigenschappen en gedrag kunnen voorspellen. Echter, wetenschappers die werken aan het ontwerpen van betere elektrochemische systemen, zoals batterijen of supercondensatoren, hebben nog geen uitgebreid model van de drijvende krachten die complex elektrochemisch gedrag bepalen.

Na acht jaar onderzoek naar het gedrag van deze materialen en hun eigenschappen, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), DOE's National Renewable Energy Laboratory en de University of Colorado-Boulder hebben een conceptueel model ontwikkeld dat bestaande theorieën combineert om een ​​meer algemene theorie van elektrochemie te vormen die voorheen onverklaard gedrag voorspelt.

Het nieuwe model, het Unified Electrochemical Band-Diagram Framework (UEB) genoemd, combineert elementaire elektrochemische theorie met theorieën die in verschillende contexten worden gebruikt, zoals de studie van foto-elektrochemie en halfgeleiderfysica, om verschijnselen te beschrijven die zich voordoen in een elektrode.

Het onderzoek begon met de studie van alfa-mangaanoxide, een materiaal dat snel kan opladen en ontladen, waardoor het ideaal is voor bepaalde batterijen. De wetenschappers wilden het mechanisme achter de unieke eigenschappen van het materiaal begrijpen, zodat ze het konden verbeteren.

"Er was geen bevredigend antwoord op hoe het materiaal werkte, " zei Argonne-wetenschapper Matthias Young, "maar na veel berekeningen op het systeem te hebben gedaan, ontdekten we dat door theorieën te combineren, we zouden het mechanisme kunnen begrijpen."

Uitgebreide tests van verschillende andere materialen hebben de wetenschappers geholpen het model te ontwikkelen en het nut ervan aan te tonen bij het voorspellen van uitzonderlijke verschijnselen.

"Het model beschrijft hoe eigenschappen van een materiaal en zijn omgeving op elkaar inwerken en leiden tot transformaties en degradatie, " zei Young. "Het helpt ons te voorspellen wat er met een materiaal in een specifieke omgeving zal gebeuren. Zal het uit elkaar vallen? Zal het lading opslaan?"

Met rekenmodellen die UEB gebruiken, kunnen wetenschappers niet alleen materiaalgedrag voorspellen, maar kan ook aangeven welke wijzigingen aan het materiaal de prestaties kunnen verbeteren.

"Er zijn modellen die correcte voorspellingen doen, maar ze geven je niet de tools om het materiaal beter te maken, "zei Young. "Dit model geeft je de conceptuele handvatten die je kunt gebruiken om erachter te komen wat je moet veranderen om de prestaties van het materiaal te verbeteren."

Omdat het model algemeen en fundamenteel is, het heeft het potentieel om wetenschappers te helpen bij de ontwikkeling van elke elektrode, inclusief die voor batterijen, katalyse, supercondensatoren en zelfs ontzilting.

"We krijgen iets dat meer is dan de som der delen, " zei Young. "We hebben veel briljant werk van veel verschillende mensen genomen, en we hebben het verenigd tot iets dat informatie oplevert die er eerder niet was."