Lawrence Livermore-onderzoekers hebben door elektrische lading veroorzaakte veranderingen in de structuur en binding van grafiet-koolstofelektroden geïdentificeerd die op een dag de manier waarop energie wordt opgeslagen, kunnen beïnvloeden.

Het onderzoek kan leiden tot een verbetering van de capaciteit en efficiëntie van elektrische energieopslagsystemen, zoals batterijen en supercondensatoren, die nodig zijn om aan de groeiende vraag van de consument te voldoen, industriële en groene technologieën.

Toekomstige technologie vereist dat energieopslagsystemen een veel grotere opslagcapaciteit hebben, snel opladen/ontladen en verbeterd uithoudingsvermogen. Vooruitgang op deze gebieden vereist een vollediger begrip van energieopslagprocessen, van atomaire tot micron-lengteschalen. Omdat deze complexe processen aanzienlijk kunnen veranderen naarmate het systeem wordt opgeladen en ontladen, onderzoekers hebben zich steeds meer gericht op hoe te kijken in een werkend energieopslagsysteem. Hoewel computationele benaderingen de afgelopen decennia zijn geëvolueerd, de ontwikkeling van experimentele benaderingen was zeer uitdagend, met name voor het bestuderen van de lichte elementen die veel voorkomen in materialen voor energieopslag.

Recent werk van een door LLNL geleid team heeft een nieuwe röntgenadsorptiespectroscopiecapaciteit ontwikkeld die nauw is gekoppeld aan een modelleringsinspanning om belangrijke informatie te verschaffen over hoe de structuur en binding van grafiet-koolstofsupercondensatorelektroden worden beïnvloed door polarisatie van de elektrode-elektrolyt-interfaces tijdens het opladen.

Grafische supercondensatoren zijn ideale modelsystemen om grensvlakfenomenen te onderzoeken omdat ze relatief chemisch stabiel zijn, uitvoerig experimenteel en theoretisch gekarakteriseerd en technologisch interessant zijn. Het team gebruikte zijn recent ontwikkelde 3D nanographene (3D-NG) bulkelektrodemateriaal als model grafietmateriaal.

"Onze nieuw ontwikkelde röntgenadsorptiespectroscopiefunctie stelde ons in staat om het complexe, elektrisch veld veroorzaakte veranderingen in de elektronische structuur die op grafeen gebaseerde supercondensatorelektroden tijdens bedrijf ondergaan. Analyse van deze veranderingen leverde informatie op over hoe de structuur en hechting van de elektroden evolueren tijdens het opladen en ontladen, " zei Jonathan Lee, een LLNL-wetenschapper en corresponderende auteur van een paper die gepland staat om te verschijnen als het omslagartikel van de 4 maart-editie van het tijdschrift, Geavanceerde materialen . "De integratie van unieke modelleringsmogelijkheden voor het bestuderen van de geladen elektrode-elektrolyt-interface speelde een cruciale rol bij onze interpretatie van de experimentele gegevens."

De ontdekking dat de elektronische structuur van grafiet-koolstof-supercondensatorelektroden kan worden aangepast door ladingsgeïnduceerde elektrode-elektrolyt-interacties, opent een nieuw venster naar efficiëntere elektrochemische energieopslagsystemen. In aanvulling, de experimentele en modelleringstechnieken die tijdens het onderzoek zijn ontwikkeld, zijn gemakkelijk toepasbaar op andere materialen en technologieën voor energieopslag.