Redox-stroombatterijen zijn een opkomende technologie voor elektrochemische energieopslag die kan helpen het gebruik van energie die wordt geproduceerd door hernieuwbare energiebronnen te verbeteren. Deze energiebronnen zijn inherent onregelmatig in hun levering, die doorgaans niet overeenkomt met de vraag op het elektriciteitsnet. In principe, redox flow-batterijen kunnen worden ontworpen om een ​​energieopslagcapaciteit te hebben die onafhankelijk is van het nominale vermogen. Echter, in praktijk, het gemak waarmee redox-actieve moleculen naar de elektrode-oppervlakken worden getransporteerd, speelt een belangrijke rol bij het bepalen van hun efficiëntie, de stroom die wordt geproduceerd of geladen en, in sommige gevallen, hun levensduur.

In een nieuwe krant Assistent-professor Kyle Smith pakte deze uitdagingen aan met een nieuwe theorie om te voorspellen hoe vloeistofstroom het vermogen van moleculen in een stroombatterij om te reageren op de oppervlakken van poreuze elektroden beïnvloedt. "Modelling the Transient Effects of Pore-Scale Convection and Redox Reactions in the Pseudo-Steady Limit" werd gepubliceerd in een focusnummer van de Tijdschrift van de Electrochemical Society ter ere van Richard C. Alkire uit Illinois, de Charles J. en Dorothy G. Prizer voorzitter emeritus bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering, voormalig vice-kanselier voor onderzoek, en voormalig decaan van het Graduate College. Alkire staat wereldwijd bekend om zijn expertise in metaalafzetting en multischaalsimulaties van atomaire tot verwerkingsschalen.

Smith en zijn Ph.D. student theoretiseerde in het onderzoek dat de reactiesnelheden op microscopische schalen relevant waren voor de onderliggende microscopische structuur van het elektrodemateriaal. De resultaten van zijn model stelden hem in staat te voorspellen hoe moleculair transport plaatsvindt onder zogenaamde transiënte omstandigheden, waar de concentraties van redox-actieve moleculen in het elektrolyt van de batterij met de tijd veranderen.

"We hebben aangetoond dat deze omstandigheden bijzonder relevant zijn voor de werking van redoxflow-batterijen, die dynamische laad- en ontlaadprocessen ervaren waarbij de elektrolytsamenstelling met de tijd verandert. Dit in tegenstelling tot eerder werk dat dergelijke effecten in de eerste plaats had beschouwd vanuit een steady-state-context waar de compositie constant is in de tijd, " zei Smith. "De theorie die we hebben geïntroduceerd, maakt het mogelijk om massaoverdrachtscoëfficiënten te voorspellen op basis van de microscopische poriestructuur in elektroden waarin elektrolyten worden geladen en ontladen. Het hebben van dergelijke mogelijkheden stelt ons in staat om te ontwerpen hoe dergelijke structuren moeten worden ontworpen - met andere woorden, hoe ze te engineeren."

De bevinding van Smith heeft invloed op tal van technische toepassingen waarbij transport op porieschaal belangrijk is, inclusief waterzuivering en ontzilting, katalytische zuivering van industriële uitlaatgassen en uitlaatgassen van voertuigen, en transport van reactieve mineralen en biologische afbraak van levende cellen.

Dit werk sluit goed aan bij Alkire's loopbaanonderzoek naar het verbeteren van ontwerp in engineering door middel van simulaties op meerdere schalen. "Het overkoepelende doel van dit speciale volume is om tegemoet te komen aan de behoefte aan nieuwe technische methoden, gedreven door opmerkelijke ontdekkingen op de schaal van moleculen, evenals snelle groei in enorme data-archieven. De focus ligt op het ontwikkelen van nieuwe ontwerpmethoden om gedrag op moleculaire schaal te koppelen aan traditionele elektrochemische ontwerpprocedures op macroscopische schaal. Het doel is om kwaliteitscontrole op moleculaire schaal in te bedden in goed ontworpen producten en processen, " zei Alkire over de focuskwestie die ter ere van hem werd gepubliceerd.