Wetenschappers die manieren zoeken om het vermogen van een batterij om een ​​lading langer vast te houden te verbeteren, gebruik van geavanceerde materialen die veilig zijn, stabiel en efficiënt, hebben vastgesteld dat de materialen zelf slechts een deel van de oplossing zijn.

In feite, studies op het grensvlak van batterijmaterialen, samen met een grotere kennis van de processen op het werk, ontketenen een golf van kennis die nodig is om sneller in te spelen op de vraag naar duurzamere draagbare elektronica, elektrische voertuigen en stationaire energieopslag voor het elektriciteitsnet.

"Als we betere energieopslag nodig hebben, we moeten beter begrijpen wat er gebeurt op het grensvlak tussen de elektrolyt en de batterij of het supercondensatormateriaal, " zei Yury Gogotsi van Drexel University, de corresponderende auteur voor een toekomstgerichte review paper gepubliceerd in Materialen voor natuurrecensies .

Drexel is een partneruniversiteit van de Fluid Interface Reactions, Constructies en transport, of EERST, centrum, een Energy Frontier Research Center in het Oak Ridge National Laboratory en gefinancierd door het Department of Energy.

De afgelopen 11 jaar, een groep wetenschappers met het FIRST-centrum gericht op elektrochemisch onderzoek heeft de interfaces van materialen voor energieopslag bestudeerd. "Dit is de sleutel - dit is waar actie plaatsvindt in energieopslag, "Zei Gogotsi. "Kortom, dit is de grens van energieopslag."

De elektronicamarkt wordt gedomineerd door lithium-ionbatterijen en supercondensatoren. Ze worden gebruikt in meerdere consumenten- en industriële toepassingen die elektrochemische energieopslag vereisen, of EES, apparaten, omdat bekend is dat ze veilig en efficiënt werken in verschillende omgevingen, vooral bij hoge of lage temperaturen.

De elektrolyt is een essentieel onderdeel in EES-apparaten. Het is de geleidende brug om ionen tussen de positieve en negatieve elektroden te transporteren. Hoe goed dit proces plaatsvindt, bepaalt de prestaties van het apparaat:hoe snel de batterij kan worden opgeladen en hoeveel stroom deze kan leveren wanneer deze leeg is. Ongewenste veranderingen aan het elektrolyt kunnen ook van invloed zijn op het aantal oplaadcycli dat het kan doorstaan ​​voordat de batterij minder efficiënt wordt.

Volgens het overzichtsdocument ionische vloeistoffen zijn veelbelovend als een veilig alternatief voor conventionele organische elektrolyten. Ionische vloeistoffen, of IL's, staan ​​bekend als stabiel en niet-ontvlambaar en hebben de neiging niet te verdampen. Ze kunnen potentieel werken tot zes volt, wat de mogelijkheid van een hogere energiedichtheid biedt. (Een standaard huishoudaccu is ongeveer 1,5 volt, en een lithium-ionbatterij is 3 tot 3,5 volt.)

Echter, de interactie van IL's met nieuw ontwikkelde materialen is niet goed begrepen. Studies van verbeterde elektroden hebben snellere oplaadtijden geregistreerd, maar die batterijen gebruikten conventionele elektrolyten. IL's hebben de neiging om langzamer op te laden; nog, onderzoek naar geavanceerde elektroden en IL's op de interface zou uiteindelijk de prestaties van de batterij of supercondensator kunnen verbeteren en tegelijkertijd kunnen profiteren van de bekende voordelen van IL's.

Het team van wetenschappers van ORNL, Drexel, Universiteit van Boston en Universiteit van Californië, rivieroever, suggereren een holistische benadering zodat het hele energieopslagapparaat succesvol kan werken.

"Het belangrijkste doel van deze toekomstgerichte beoordeling is om de onderzoeksrichting te schetsen, de gemeenschap begeleiden waar ze naar oplossingen moeten zoeken, profiteren van de goede dingen die ionische vloeistoffen kunnen bieden en de bestaande problemen oplossen voor een veiligere energieopslag, " hij zei.

Om vooruit te komen met het matchen van duizenden ionische vloeistoffen met talloze keuzes van nieuwe geavanceerde batterijmaterialen, is rekenkracht vereist, machine learning en kunstmatige intelligentie om de enorme hoeveelheden gegevens en mogelijke combinaties en mogelijke resultaten te verwerken.

De FIRST EFRC bij ORNL maakt gebruik van een computationele modelleringsbenadering om fundamenteel begrip en experimenteel gevalideerde conceptuele en computationele modellen van vloeistof-vaste interfaces te bereiken die worden gevonden in geavanceerde energiesystemen en -apparaten, inclusief batterijen, supercondensatoren en foto- en elektrochemische cellen.

Het centrum staat voor een unieke benadering, creatief samenbrengen, multidisciplinaire wetenschappelijke teams om de moeilijkste uitdagingen aan te gaan die vooruitgang in energietechnologieën verhinderen.

"De missie van ons centrum is om fundamenteel begrip en gevalideerde, voorspellende modellen van de atomistische oorsprong van elektrolyt en gekoppeld elektronentransport onder nano-opsluiting. Dit zal transformatieve vooruitgang mogelijk maken in capacitieve elektrische energieopslag en andere energierelevante grensvlaksystemen, " zei Sheng Dai van ORNL, die de EERSTE EFRC leidt.

"Het diepgaande begrip van elektrodemateriaal-ionische vloeistofkoppeling maakt deel uit van de vergelijking om onze missie te volbrengen, " hij voegde toe.

Het blad getiteld, "Elektrodemateriaal-ionische vloeistofkoppeling voor elektrochemische energieopslag, " was co-auteur van Xuehang Wang, Babak Anasori en Yury Gogotsi van Drexel University; Maryam Salari, Jennifer Chapman Varela en Mark W. Grinstaff van de Boston University; De-en Jiang van de Universiteit van Californië, rivieroever; en David J. Wesolowski en Sheng Dai van ORNL.