Инженер получил награду NSF CAREER за улучшение лития

Oct 26, 2023

Кредит: Adobe Stock. Все права защищены.

31 мая 2023 г.

УНИВЕРСИТИ-ПАРК, Пенсильвания. Литий-ионные аккумуляторы питают большую часть электроники, от смартфонов до электромобилей, и даже используются для хранения энергии для питания целых домов. Маркетологи ожидают, что во всем мире рынок литий-ионных аккумуляторов вырастет с 65,9 млрд долларов в 2021 году до 273,8 млрд долларов к 2030 году. Хотя использование литий-ионных аккумуляторов продолжает расширяться быстрыми темпами, мало что известно о силах, управляющих ключевыми процессами, которые влияние на производительность.

Фейфей Ши, доцент кафедры энергетики и минерального машиностроения семьи Джона и Уилли Леоне, получил награду в размере 594 788 долларов США от Национального научного фонда (NSF) за переосмысление фундаментальных электрохимических моделей и потенциальное изменение того, как литий -ионные батареи разработаны. Влияние можно увидеть во всех электрохимических приложениях, в которых используются жидкие электролиты, таких как проточные батареи, топливные элементы и суперконденсаторы, применение которых варьируется от потребительских товаров до сетевых накопителей энергии.

По словам Ши, отсутствие более глубокого понимания отчасти связано с открытием двойного электронного слоя (ДЭС) — электрического явления, которое возникает при взаимодействии жидкости и поверхности, вызывая образование электрически заряженного поверхностного слоя. Первоначальные модели, созданные в начале 1900-х годов, стали основой электрохимии, но до сих пор немногие исследователи уделяли им пристальное внимание.

«Изучение двойного электрического слоя — это одна из первых моделей, с которыми вы знакомитесь на уроках классической электрохимии, если не самая первая», — сказал Ши. «Модель представляет собой идеально сферические, идеальные ионы, но на самом деле этой простоты не существует. Мы больше не можем игнорировать размер, форму или пространство, которое занимают ионы».

Ши часто имеет дело с EDL в своих исследованиях по изучению межфазных свойств, и поиск ионов, подобных тем, что изображены в модели, не входил в ее опыт. Она объяснила, что ионы разветвляются и имеют видимую рябь в электролитах аккумуляторов. Кроме того, в органических солевых растворителях микросистемы крупнее, более динамичны и имеют более широкий диапазон ожидаемых свойств, чем в простых растворителях, таких как вода. Ши считает, что более точная физическая картина этих различий позволит исследователям и разработчикам аккумуляторов лучше понять межфазную кинетику в работе аккумуляторов, сказала она.

«Все спроектировано на основе EDL», — сказал Ши. «Итак, если ваша отправная точка не понята на 100%, как вы вообще можете знать, с чего начать? Понимание такого важного компонента имеет важное значение для лучшего и более рационального проектирования аккумуляторов».

«Многие процессы, происходящие в EDL, напрямую влияют на производительность батареи», — сказала Ши, указывая на свой сотовый телефон и отмечая, что все сталкивались с последствиями старения батареи и как со временем батареи не держат заряд так долго или требуют более частой зарядки. зарядка. По ее словам, такое снижение мощности является результатом коррозии или накопления пассивационного слоя внутри интерфейса. Со временем мощность съедается и жидкие электролиты внутри аккумулятора высыхают. Скорость зарядки аккумулятора определяется кинетическим поведением EDL, которое влияет на то, насколько быстро и свободно передаются электроны, а также на то, как ионы мигрируют между поверхностью раздела. Для электромобилей (EV) это означает, что главные приоритеты большинства потенциальных покупателей электромобилей, такие как запас хода и скорость зарядки, могут быть улучшены за счет лучшего понимания EDL.

По мнению Ши, работа требует срочности, сказала она. Ее мотивирует то, как достижения прикладной науки и техники опережают развитие фундаментальной науки. Она часто видит, как новые продукты выпускаются до того, как знания успевают накопиться посредством экспериментов и фундаментального понимания. На фоне установленного в Парижском соглашении крайнего срока к 2050 году, необходимость сосредоточиться на фундаментальных показателях становится более важной, сказал Ши.

«Нам нужен новый канон понимания», — сказал Ши. «Сейчас настало время фундаментальных исследований, чтобы догнать и раздвинуть границы наших знаний и, надеюсь, вдохновить на новую картину или новую гипотезу, которая может помочь нам удовлетворить энергетические потребности нашего общества максимально устойчивым образом».