Ny tilgang kan fremskynde design af højeffektbatterier

Forskning ledet af en videnskabsmand fra Stanford lover at øge ydeevnen af ​​højeffekt elektriske lagerenheder, såsom bilbatterier.

I værk offentliggjort i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , forskerne beskriver en matematisk model til at designe nye materialer til lagring af elektricitet. Modellen kan være en stor fordel for kemikere og materialeforskere, som traditionelt er afhængige af forsøg og fejl for at skabe nye materialer til batterier og kondensatorer. Fremme af nye materialer til energilagring er et vigtigt skridt i retning af at reducere kulstofemissioner i transport- og elsektoren.

"Potentialet her er, at du kan bygge batterier, der holder meget længere og gøre dem meget mindre, " sagde undersøgelsens medforfatter Daniel Tartakovsky, en professor i School of Earth, Energi- og miljøvidenskab. "Hvis du kunne konstruere et materiale med en langt overlegen lagerkapacitet end hvad vi har i dag, så kan du forbedre batteriernes ydeevne dramatisk."

Sænkning af en barriere

En af de primære hindringer for overgangen fra fossile brændstoffer til vedvarende energi er evnen til at lagre energi til senere brug, såsom i timer, hvor solen ikke skinner i tilfælde af solenergi. Efterspørgsel efter billige, Effektiv lagring er steget i takt med, at flere virksomheder henvender sig til vedvarende energikilder, som giver betydelige folkesundhedsmæssige fordele.

Tartakovsky håber, at de nye materialer udviklet gennem denne model vil forbedre superkondensatorer, en type næste generations energilagring, der kunne erstatte genopladelige batterier i højteknologiske enheder som mobiltelefoner og elektriske køretøjer. Superkondensatorer kombinerer det bedste af det, der i øjeblikket er tilgængeligt til energilagring – batterier, som rummer meget energi, men oplader langsomt, og kondensatorer, som oplader hurtigt, men holder lidt energi. Materialerne skal kunne modstå både høj effekt og høj energi for at undgå at gå i stykker, eksploderer eller antændes.

"Nuværende batterier og andre lagerenheder er en stor flaskehals for overgangen til ren energi, " sagde Tartakovsky. "Der er mange mennesker, der arbejder på dette, men dette er en ny tilgang til at se på problemet."

De typer materialer, der i vid udstrækning anvendes til at udvikle energilagring, kendt som nanoporøse materialer, ser solidt ud for det menneskelige øje, men indeholder mikroskopiske huller, der giver dem unikke egenskaber. Udvikling af nye, muligvis bedre nanoporøse materialer har, indtil nu, været et spørgsmål om trial and error - at arrangere små korn af silica af forskellig størrelse i en form, fylde formen med et fast stof og derefter opløse kornene for at skabe et materiale, der indeholder mange små huller. Metoden kræver omfattende planlægning, arbejdskraft, eksperimenter og modifikationer, uden at garantere slutresultatet vil være den bedst mulige løsning.

"Vi udviklede en model, der ville gøre det muligt for materialekemikere at vide, hvad de kan forvente med hensyn til ydeevne, hvis kornene er arrangeret på en bestemt måde, uden at gå igennem disse eksperimenter, " sagde Tartakovsky. "Denne ramme viser også, at hvis du arrangerer dine korn, som modellen antyder, så får du den maksimale ydeevne."

Ud over energi

Energi er kun én industri, der gør brug af nanoporøse materialer, og Tartakovsky sagde, at han håber, at denne model vil være anvendelig på andre områder, såvel.

"Denne særlige applikation er til elektrisk opbevaring, men du kan også bruge det til afsaltning, eller enhver membranoprensning, " sagde han. "Rammen giver dig mulighed for at håndtere forskellig kemi, så du kan anvende det på alle porøse materialer, du designer."

Tartakovskys matematiske modelleringsforskning spænder over neurovidenskab, byudvikling, medicin og meget mere. Som jordforsker og professor i energiressourceteknik, han er ekspert i flow og transport af porøse medier, viden, der ofte er underudnyttet på tværs af discipliner, han sagde. Tartakovskys interesse i at optimere batteridesignet stammede fra samarbejde med et materialeingeniørteam ved University of Nagasaki i Japan.

"Denne japanske samarbejdspartner havde aldrig tænkt på at tale med hydrologer, " sagde Tartakovsky. "Det er ikke indlysende, medmindre du laver ligninger – hvis du laver ligninger, så forstår du, at det er lignende problemer."