Større end summen af ​​dets dele

Når det kommer til at designe og optimere mekaniske systemer, forskere forstår de fysiske love omkring dem godt nok til at skabe computermodeller, der kan forudsige deres egenskaber og adfærd. Imidlertid, forskere, der arbejder på at designe bedre elektrokemiske systemer, såsom batterier eller superkapacitorer, har endnu ikke en omfattende model for de drivkræfter, der styrer kompleks elektrokemisk adfærd.

Efter otte års forskning i disse materialers opførsel og deres egenskaber, forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory, DOE's National Renewable Energy Laboratory og University of Colorado-Boulder har udviklet en konceptuel model, der kombinerer eksisterende teorier for at danne en mere generel teori om elektrokemi, der forudsiger tidligere uforklarlig adfærd.

Den nye model, kaldet Unified Electrochemical Band-Diagram Framework (UEB), kombinerer grundlæggende elektrokemisk teori med teorier, der bruges i forskellige sammenhænge, såsom studiet af fotoelektrokemi og halvlederfysik, at beskrive fænomener, der forekommer i enhver elektrode.

Forskningen begyndte med undersøgelsen af ​​alfa -manganoxid, et materiale, der hurtigt kan oplades og aflades, hvilket gør den ideel til visse batterier. Forskerne ønskede at forstå mekanismen bag materialets unikke egenskaber, så de kunne forbedre det.

"Der var ikke et tilfredsstillende svar på, hvordan materialet fungerede, " sagde Argonne-videnskabsmanden Matthias Young, "men efter at have lavet en masse beregninger på systemet, vi opdagede, at ved at kombinere teorier, vi kunne forstå mekanismen."

Omfattende test af flere andre materialer har hjulpet forskerne med at udvikle modellen og demonstrere dens anvendelighed til at forudsige usædvanlige fænomener.

"Modellen beskriver, hvordan egenskaber ved et materiale og dets miljø interagerer med hinanden og fører til transformationer og nedbrydning, " sagde Young. "Det hjælper os med at forudsige, hvad der vil ske med et materiale i et specifikt miljø. Vil det falde fra hinanden? Vil det opbevare opladning?"

Beregningsmodeller, der bruger UEB, gør det ikke kun muligt for forskere at forudsige materiell adfærd, men kan også informere om, hvilke ændringer i materialet der kan forbedre dets ydeevne.

"Der er modeller derude, der giver korrekte forudsigelser, men de giver dig ikke værktøjerne til at gøre materialet bedre, " sagde Young. "Denne model giver dig de konceptuelle håndtag, du kan dreje for at finde ud af, hvad du skal ændre for at forbedre materialets ydeevne."

Fordi modellen er generel og grundlæggende, det har potentiale til at hjælpe forskere i udviklingen af ​​enhver elektrode, inklusive dem, der bruges til batterier, katalyse, superkondensatorer og endda afsaltning.

"Vi får noget, der er mere end summen af ​​dets dele, " sagde Young. "Vi har taget en masse strålende arbejde af mange forskellige mennesker, og vi forenede det til noget, der giver information, der ikke var der før. "