Ny forskning kan føre til mere effektiv lagring af elektrisk energi

Lawrence Livermore-forskere har identificeret elektriske ladningsinducerede ændringer i strukturen og binding af grafitiske carbonelektroder, der en dag kan påvirke måden, hvorpå energi lagres.

Forskningen kan føre til en forbedring af kapaciteten og effektiviteten af ​​elektriske energilagringssystemer, såsom batterier og superkapacitorer, nødvendig for at imødekomme de voksende krav fra forbrugerne, industrielle og grønne teknologier.

Fremtidens teknologi kræver, at energilagringssystemer har meget større lagerkapacitet, hurtig opladning/afladning cykling og forbedret udholdenhed. Fremskridt på disse områder kræver en mere fuldstændig forståelse af energilagringsprocesser fra atomarer til mikronlængder. Fordi disse komplekse processer kan ændre sig betydeligt, når systemet oplades og aflades, forskere har i stigende grad fokuseret på, hvordan man ser ind i et operativt energilagringssystem. Selvom beregningsmetoder har avanceret i løbet af de sidste par årtier, udviklingen af ​​eksperimentelle tilgange har været meget udfordrende, især til undersøgelse af de lyselementer, der er fremherskende i energilagringsmaterialer.

Nylige arbejde fra et LLNL-ledet team udviklede en ny røntgenadsorptionsspektroskopi-kapacitet, der er tæt forbundet med en modelleringsindsats for at give nøgleinformation om, hvordan strukturen og bindingen af ​​grafitiske carbon-superkondensatorelektroder påvirkes af polarisering af elektrode-elektrolytgrænseflader under opladning.

Grafitiske superkapacitorer er ideelle modelsystemer til at undersøge grænsefladefænomener, fordi de er relativt kemisk stabile, omfattende karakteriseret eksperimentelt og teoretisk og er interessante teknologisk. Teamet brugte sit nyligt udviklede 3D nanografen (3D-NG) bulkelektrodemateriale som et grafitisk model.

"Vores nyudviklede røntgenadsorptionsspektroskopi-evne tillod os at opdage komplekset, elektriske felt inducerede ændringer i elektronisk struktur, som grafenbaserede superkapacitorelektroder undergår under drift. Analyse af disse ændringer gav information om, hvordan strukturen og binding af elektroderne udvikler sig under opladning og afladning, "sagde Jonathan Lee, en LLNL -videnskabsmand og tilsvarende forfatter til et papir, der efter planen skulle vises som forsideartikel i tidsskriftet 4. marts, Avancerede materialer . "Integrationen af ​​unikke modelleringsmuligheder til undersøgelse af den ladede elektrode-elektrolytgrænseflade spillede en afgørende rolle i vores fortolkning af de eksperimentelle data."

Opdagelsen af, at den elektroniske struktur af grafitiske carbon-superkapacitorelektroder kan skræddersys ved ladningsinducerede elektrode-elektrolytinteraktioner, åbner et nyt vindue mod mere effektive elektrokemiske energilagringssystemer. Ud over, de eksperimentelle og modelleringsteknikker, der blev udviklet under forskningen, er let anvendelige på andre energilagringsmaterialer og -teknologier.