Onderzoek onder leiding van een Stanford-wetenschapper belooft de prestaties van krachtige elektrische opslagapparaten te verbeteren, zoals autobatterijen.

In werk gepubliceerd deze week in Technische Natuurkunde Brieven , de onderzoekers beschrijven een wiskundig model voor het ontwerpen van nieuwe materialen voor het opslaan van elektriciteit. Het model kan een enorm voordeel zijn voor scheikundigen en materiaalwetenschappers, die traditioneel vertrouwen op vallen en opstaan ​​om nieuwe materialen voor batterijen en condensatoren te maken. Het bevorderen van nieuwe materialen voor energieopslag is een belangrijke stap in de richting van het verminderen van de CO2-uitstoot in de transport- en elektriciteitssector.

"Het potentieel hier is dat je batterijen kunt bouwen die veel langer meegaan en ze veel kleiner maken, " zei co-auteur van de studie, Daniel Tartakovsky, een professor aan de School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen. "Als je een materiaal zou kunnen ontwerpen met een veel betere opslagcapaciteit dan wat we nu hebben, dan zou je de prestaties van batterijen drastisch kunnen verbeteren."

Een drempel verlagen

Een van de belangrijkste obstakels voor de overgang van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energiebronnen is de mogelijkheid om energie op te slaan voor later gebruik, zoals tijdens uren dat de zon niet schijnt in het geval van zonne-energie. Vraag naar goedkope, efficiënte opslag is toegenomen naarmate meer bedrijven overschakelen op hernieuwbare energiebronnen, die aanzienlijke voordelen voor de volksgezondheid bieden.

Tartakovsky hoopt dat de nieuwe materialen die door dit model zijn ontwikkeld, supercondensatoren zullen verbeteren, een soort energieopslag van de volgende generatie die oplaadbare batterijen in hightech-apparaten zoals mobiele telefoons en elektrische voertuigen zou kunnen vervangen. Supercondensatoren combineren het beste van wat momenteel beschikbaar is voor energieopslag:batterijen, die veel energie bevatten, maar langzaam opladen, en condensatoren, die snel opladen maar weinig energie vasthouden. De materialen moeten bestand zijn tegen zowel een hoog vermogen als een hoge energie om breuk te voorkomen, exploderen of in brand vliegen.

"Huidige batterijen en andere opslagapparaten zijn een belangrijk knelpunt voor de overgang naar schone energie, Tartakovsky zei. "Er zijn veel mensen die hieraan werken, maar dit is een nieuwe benadering om naar het probleem te kijken."

De soorten materialen die veel worden gebruikt om energieopslag te ontwikkelen, bekend als nanoporeuze materialen, zien er solide uit voor het menselijk oog, maar bevatten microscopisch kleine gaatjes die ze unieke eigenschappen geven. Het ontwikkelen van nieuwe, mogelijk betere nanoporeuze materialen heeft, tot nu, een kwestie van vallen en opstaan ​​– het rangschikken van minuscule korrels silica van verschillende groottes in een mal, de mal vullen met een vaste stof en vervolgens de korrels oplossen om een ​​materiaal te maken met veel kleine gaatjes. De methode vereist een uitgebreide planning, werk, experimenten en aanpassingen, zonder garantie op het eindresultaat zal de best mogelijke optie zijn.

"We hebben een model ontwikkeld waarmee materiaalchemici weten wat ze kunnen verwachten in termen van prestaties als de korrels op een bepaalde manier zijn gerangschikt, zonder deze experimenten te doorlopen, Tartakovsky zei. "Dit raamwerk laat ook zien dat als je je granen rangschikt zoals het model suggereert, dan krijg je de maximale prestatie."

Voorbij energie

Energie is slechts één industrie die gebruik maakt van nanoporeuze materialen, en Tartakovsky zei dat hij hoopt dat dit model ook op andere gebieden toepasbaar zal zijn, ook.

"Deze specifieke toepassing is voor elektrische opslag, maar je zou het ook kunnen gebruiken voor ontzilting, of enige membraanzuivering, " zei hij. "Het raamwerk stelt je in staat om met verschillende chemie om te gaan, dus je zou het kunnen toepassen op alle poreuze materialen die je ontwerpt."

Tartakovsky's onderzoek naar wiskundige modellen omvat neurowetenschappen, stedelijke ontwikkeling, medicijnen en meer. Als aardwetenschapper en professor in de techniek van energiebronnen, hij is een expert in de stroming en het transport van poreuze media, kennis die vaak onderbenut wordt in verschillende disciplines, hij zei. Tartakovsky's interesse in het optimaliseren van het batterijontwerp kwam voort uit de samenwerking met een materiaaltechnisch team van de Universiteit van Nagasaki in Japan.

"Deze Japanse medewerker van mij had er nooit aan gedacht om met hydrologen te praten, Tartakovsky zei. "Het is niet duidelijk tenzij je vergelijkingen maakt - als je vergelijkingen maakt, dan begrijp je dat dit vergelijkbare problemen zijn."