Le batterie a flusso redox sono una tecnologia emergente per l'accumulo di energia elettrochimica che potrebbe aiutare a migliorare l'uso dell'energia prodotta da risorse energetiche rinnovabili. Queste risorse energetiche sono intrinsecamente irregolari nella loro fornitura, che in genere non si allinea con la domanda sulla rete elettrica. In linea di principio, Le batterie a flusso redox possono essere progettate per avere una capacità di accumulo di energia indipendente dalla sua potenza nominale. Però, in pratica, la facilità con cui le molecole redox-attive vengono trasportate alle superfici degli elettrodi gioca un ruolo importante nel determinarne l'efficienza, la potenza prodotta o caricata e, in alcuni casi, la loro durata.

In un nuovo documento, L'assistente professore Kyle Smith ha affrontato queste sfide con una nuova teoria per prevedere in che modo il flusso del fluido influisce sulla capacità delle molecole in una batteria di flusso di reagire sulle superfici degli elettrodi porosi. "Modelling the Transient Effects of Pore-Scale Convection and Redox Reactions in the Pseudo-Steady Limit" è stato pubblicato in un numero di approfondimento del Giornale della Società Elettrochimica in onore di Richard C. Alkire dell'Illinois, la cattedra emerita Charles J. e Dorothy G. Prizer del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare, già Vice Rettore per la Ricerca, ed ex preside del Graduate College. Alkire è conosciuto in tutto il mondo per la sua esperienza nella deposizione di metalli e nelle simulazioni multiscala dalle scale atomiche a quelle di trasformazione.

Smith e il suo dottorato di ricerca lo studente ha teorizzato nella ricerca che le velocità di reazione su scala microscopica erano rilevanti per la struttura microscopica sottostante del materiale dell'elettrodo. I risultati del suo modello gli hanno permesso di prevedere come avviene il trasporto molecolare nelle cosiddette condizioni transitorie, dove le concentrazioni di molecole redox-attive nell'elettrolita della batteria cambiano nel tempo.

"Abbiamo dimostrato che queste condizioni sono particolarmente rilevanti per il funzionamento delle batterie a flusso redox, che sperimentano processi dinamici di carica e scarica in cui la composizione dell'elettrolita cambia nel tempo. Ciò era in contrasto con il lavoro precedente che aveva considerato tali effetti principalmente da un contesto di stato stazionario in cui la composizione è costante nel tempo, " ha detto Smith. "La teoria che abbiamo introdotto consente la previsione dei coefficienti di trasferimento di massa basati sulla struttura microscopica dei pori all'interno degli elettrodi in cui gli elettroliti vengono caricati e scaricati all'interno. Avere tali capacità ci consente di progettare come tali strutture dovrebbero essere progettate, in altre parole, come progettarli."

La scoperta di Smith ha un impatto su numerose applicazioni ingegneristiche in cui il trasporto su scala porosa è importante, compresa la depurazione e la desalinizzazione dell'acqua, depurazione catalitica degli scarichi industriali e dei veicoli, e trasporto di minerali reattivi e biodegradazione delle cellule viventi.

Questo lavoro si collega bene alla ricerca professionale di Alkire nel miglioramento della progettazione in ingegneria attraverso simulazioni multiscala. "L'obiettivo generale di questo volume speciale è rispondere alla necessità di nuovi metodi ingegneristici, guidato da notevoli scoperte su scala molecolare, così come la rapida crescita di enormi archivi di dati. L'obiettivo è lo sviluppo di nuovi metodi di progettazione per collegare il comportamento su scala molecolare con le tradizionali procedure di progettazione di ingegneria elettrochimica su scala macroscopica. Lo scopo è incorporare il controllo di qualità su scala molecolare in prodotti e processi ben progettati, " ha detto Alkire del numero di focus pubblicato in suo onore.