Forskere undersøger elektroniske egenskaber ved flydende elektrolytter til energiteknologier

Flydende elektrolytter er væsentlige komponenter i en række nye energiteknologier, inklusive batterier, superkondensatorer og sol-til-brændstof-enheder.

"For at forudsige og optimere ydeevnen af ​​disse enheder, en detaljeret forståelse af elektrolytter, især deres elektroniske egenskaber såsom ioniseringspotentiale og elektronaffinitet, er kritisk, "sagde Anh Pham, en Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Lawrence Fellow i Quantum Simulations Group, og hovedforfatteren til et papir i 23. juni-udgaven af ​​Science Advances.

Som et eksempel, Pham pegede på, hvordan korrekt energijustering ved elektrode-elektrolyt-grænsefladen af ​​fotoelektrokemiske (PEC) celler er nøglen til at opnå effektiv brintproduktion.

Pham, sammen med LLNL-forsker Eric Schwegler, Robert Seidel og Steven Bradforth fra University of Southern California, og Marco Govoni og Giulia Galli fra Argonne National Laboratory og University of Chicago, har præsenteret en eksperimentelt valideret simuleringsstrategi til beregning af de elektroniske egenskaber af vandige elektrolytter.

Holdet simulerede og målte direkte den elektroniske excitation af forskellige solvatiserede ioner i flydende vand. Ved at kombinere første-principper molekylære dynamiksimuleringer med state-of-the-art elektroniske strukturmetoder, holdet kunne forudsige excitationsenergierne af opløsningsmidler og opløste stoffer, såsom ioniseringspotentialerne for de solvatiserede ioner. Holdet demonstrerede også, at koblingen af ​​denne teoretiske ramme med avancerede spektroskopiteknikker giver et kraftfuldt værktøj til identifikation af kemiske arter og reaktioner, der forekommer i opløsninger.

Den nye metode åbner mulighed for at forudsige den elektroniske respons i komplekse elektrolytter til en række anvendelser. For eksempel, forskningen gav et teoretisk grundlag for at forstå og konstruere de elektroniske egenskaber af flydende elektrolytter i PEC-celler til brintproduktion og ionisk væske til batterier.

"Den foreslåede beregningsramme er generel og anvendelig for ikke-metalliske væsker, tilbyder stort løfte om forståelse og konstruktion af løsninger og flydende elektrolytter til en række vigtige energiteknologier, "Sagde Pham.

I bredere forstand, den nye simuleringsevne repræsenterer det første skridt mod en samlet metode til simulering af realistiske, heterogene grænseflader i elektrokemiske systemer.