Illinois forskeres teori om pore-skala transport for at muliggøre forbedret flow batterier

Redox-flow-batterier er en ny teknologi til elektrokemisk energilagring, der kan hjælpe med at øge brugen af ​​strøm produceret af vedvarende energiressourcer. Disse strømressourcer er i sagens natur uregelmæssige i deres forsyning, hvilket typisk ikke stemmer overens med efterspørgslen på elnettet. I princippet, redox flow-batterier kan designes til at have en energilagringskapacitet, der er uafhængig af dens effekt. Imidlertid, i praksis, den lethed, hvormed redoxaktive molekyler transporteres til elektrodeoverflader, spiller en vigtig rolle i bestemmelsen af ​​deres effektivitet, den strøm, der produceres eller oplades, og, i nogle tilfælde, deres levetid.

I et nyt blad, Adjunkt Kyle Smith adresserede disse udfordringer med en ny teori til at forudsige, hvordan væskeflow påvirker evnen af ​​molekyler i et flowbatteri til at reagere på overfladerne af porøse elektroder. "Modellering af de forbigående virkninger af poreskalakonvektion og redoxreaktioner i Pseudo-Steady Limit" blev offentliggjort i et fokusnummer af Journal of the Electrochemical Society til ære for Illinois' Richard C. Alkire, Charles J. og Dorothy G. Prizer formanden emeritus i Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik, tidligere vicekansler for forskning, og tidligere dekan for Graduate College. Alkire er kendt over hele verden for sin ekspertise i metalaflejring og simuleringer i flere skalaer fra atom-til-bearbejdningsskalaer.

Smith og hans ph.d. studerende teoretiserede i forskningen, at reaktionshastighederne på mikroskopiske skalaer var relevante for den underliggende mikroskopiske struktur af elektrodematerialet. Resultaterne af hans model gjorde det muligt for ham at forudsige, hvordan molekylær transport finder sted under såkaldte forbigående forhold, hvor koncentrationerne af redoxaktive molekyler i batteriets elektrolyt ændres med tiden.

"Vi viste, at disse forhold er særligt relevante for driften af ​​redoxflow-batterier, som oplever dynamiske ladnings- og afladningsprocesser, hvor elektrolytsammensætningen ændrer sig med tiden. Dette var i modsætning til tidligere værker, der havde betragtet sådanne effekter primært fra en steady state kontekst, hvor sammensætningen er konstant i tid, " sagde Smith. "Teorien, vi introducerede, muliggør forudsigelse af masseoverførselskoefficienter baseret på den mikroskopiske porestruktur i elektroder, som elektrolytter oplades og aflades indeni. At have sådanne kapaciteter gør det muligt for os at konstruere, hvordan sådanne strukturer skal designes – med andre ord, hvordan man konstruerer dem."

Smiths opdagelse påvirker adskillige tekniske applikationer, hvor transport i poreskala er vigtig, herunder vandrensning og afsaltning, katalytisk rensning af industri- og køretøjsudstødning, og transport af reaktive mineraler og biologisk nedbrydning af levende celler.

Dette arbejde hænger godt sammen med Alkires karriereforskning i at forbedre design inden for ingeniørvidenskab gennem simuleringer i flere skalaer. "Det overordnede mål med dette specielle bind er at imødekomme behovet for nye ingeniørmetoder, drevet af bemærkelsesværdige opdagelser på skalaen af ​​molekyler, samt hurtig vækst i massive dataarkiver. Fokus er på at udvikle nye designmetoder til at forbinde adfærd på molekylær skala med traditionelle elektrokemiske tekniske designprocedurer på makroskopisk skala. Formålet er at integrere kvalitetskontrol på molekylær skala i velkonstruerede produkter og processer, " sagde Alkire om fokusnummeret, der blev offentliggjort til hans ære.