Sikrere, længerevarende energilagring kræver fokus på grænsefladen mellem avancerede materialer

Forskere søger måder at forbedre et batteris evne til at holde en opladning længere, ved hjælp af avancerede materialer, der er sikre, stabil og effektiv, har fastslået, at selve materialerne kun er en del af løsningen.

Faktisk, undersøgelser af grænsefladen mellem batterimaterialer, sammen med øget kendskab til processerne på arbejdet, frigiver en stigning i viden, der er nødvendig for hurtigere at imødekomme efterspørgslen efter længerevarende bærbar elektronik, elektriske køretøjer og stationær energilagring til elnettet.

"Hvis vi har brug for bedre energilagring, vi er nødt til bedre at forstå, hvad der sker ved grænsefladen mellem elektrolytten og batteriet eller superkapacitormaterialet, "sagde Yury Gogotsi fra Drexel University, den tilsvarende forfatter til et fremadrettet review-papir, der blev offentliggjort i Naturanmeldelser Materialer .

Drexel er et partneruniversitet for Fluid Interface Reactions, Strukturer og transport, eller FØRSTE, centrum, et Energy Frontier Research Center placeret på Oak Ridge National Laboratory og finansieret af Department of Energy.

I de sidste 11 år har en gruppe forskere med FIRST center fokuseret på elektrokemisk forskning har undersøgt grænseflader af materialer til energilagring. "Dette er nøglen - det er her handling sker i energilagring, "Sagde Gogotsi." Grundlæggende dette er grænsen for energilagring. "

Elektronikmarkedet domineres af lithium-ion-batterier og superkapacitorer. De bruges i flere forbruger- og industrielle applikationer, der kræver elektrokemisk energilagring, eller EES, enheder, fordi de vides at fungere sikkert og effektivt i forskellige miljøer, især ved høje eller lave temperaturer.

Elektrolytten er en vigtig komponent i EES -enheder. Det er den ledende bro til at transportere ioner mellem de positive og negative elektroder. Hvor godt denne proces foregår, bestemmer enhedens ydeevne - hvor hurtigt batteriet kan oplades, og hvor meget strøm det kan levere, når det aflades. Uønskede ændringer af elektrolytten kan også påvirke antallet af opladningscyklusser, den kan udholde, før batteriet bliver mindre effektivt.

Ifølge gennemgangspapiret ioniske væsker viser løfte som et sikkert alternativ til konventionelle organiske elektrolytter. Ioniske væsker, eller IL'er, er kendt for at være stabile og ikke-brandfarlige og har tendens til ikke at fordampe. De kan potentielt operere op til seks volt, hvilket giver mulighed for højere energitæthed. (Et standard husholdningsbatteri er omkring 1,5 volt, og et lithium-ion batteri er 3 til 3,5 volt.)

Imidlertid, interaktionen mellem IL'er og nyudviklede materialer er ikke godt forstået. Undersøgelser af forbedrede elektroder har registreret hurtigere opladningstider, men disse batterier brugte konventionelle elektrolytter. IL'er har en tendens til at oplade langsommere; endnu, forskning i avancerede elektroder og IL'er ved grænsefladen kunne i sidste ende forbedre batteriets eller superkapacitorens ydeevne og samtidig drage fordel af de kendte fordele ved IL'er.

Teamet af forskere fra ORNL, Drexel, Boston University og University of California, Riverside, foreslå en holistisk tilgang, så hele energilagringsenheden kan fungere med succes.

"Hovedmålet med denne fremadrettede gennemgang er at skitsere forskningsretning, vejlede samfundet, hvor de skal lede efter løsninger, drage fordel af de gode ting, som ioniske væsker kan tilbyde og løse de eksisterende problemer for sikrere energilagring, " han sagde.

For at skubbe fremad med at matche tusinder af ioniske væsker med mange valgmuligheder af nye avancerede batterimaterialer vil det kræve beregningseffekt, maskinlæring og kunstig intelligens til at håndtere de enorme mængder data og mulige kombinationer og potentielle resultater.

FIRST EFRC på ORNL anvender en beregningsmodelleringsmetode for at opnå grundlæggende forståelse og eksperimentelt validerede konceptuelle og beregningsmodeller af væske-faste grænseflader, der findes i avancerede energisystemer og -enheder, inklusive batterier, superkapacitorer og foto- og elektrokemiske celler.

Centret repræsenterer en unik tilgang, samler kreativitet, tværfaglige videnskabelige teams til at tackle de hårdeste udfordringer, der forhindrer fremskridt inden for energiteknologier.

"Vores centers mission er at opnå grundlæggende forståelse og valideret, forudsigelige modeller af elektrolytens atomistiske oprindelse og koblet elektrontransport under nanokonference. Dette vil muliggøre transformative fremskridt inden for kapacitiv elektrisk lagring af energi og andre energirelevante grænsefladesystemer, "sagde ORNL's Sheng Dai, der leder FIRST EFRC.

"Den dybe forståelse af elektrodemateriale - ionisk væskekobling er en del af ligningen for at udføre vores mission, " han tilføjede.

Papiret med titlen, "Elektrodemateriale - ionisk væskekobling til elektrokemisk energilagring, "blev medforfatter af Xuehang Wang, Babak Anasori og Yury Gogotsi fra Drexel University; Maryam Salari, Jennifer Chapman Varela og Mark W. Grinstaff fra Boston University; De-en Jiang fra University of California, Riverside; og David J. Wesolowski og Sheng Dai fra ORNL.