Scienziati alla ricerca di modi per migliorare la capacità di una batteria di mantenere la carica più a lungo, utilizzando materiali avanzati e sicuri, stabile ed efficiente, hanno determinato che i materiali stessi sono solo una parte della soluzione.

Infatti, studi all'interfaccia dei materiali delle batterie, insieme ad una maggiore conoscenza dei processi in atto, stanno scatenando un'ondata di conoscenze necessarie per soddisfare più rapidamente la domanda di dispositivi elettronici portatili di più lunga durata, veicoli elettrici e accumulo fisso di energia per la rete elettrica.

"Se abbiamo bisogno di un migliore accumulo di energia, dobbiamo capire meglio cosa succede all'interfaccia tra l'elettrolita e il materiale della batteria o del supercondensatore, " ha detto Yury Gogotsi della Drexel University, l'autore corrispondente per un documento di revisione lungimirante pubblicato in Materiali per recensioni sulla natura .

Drexel è un'università partner di Fluid Interface Reactions, Strutture e Trasporti, o PRIMA, centro, un Energy Frontier Research Center situato presso l'Oak Ridge National Laboratory e finanziato dal Department of Energy.

Negli ultimi 11 anni, un gruppo di scienziati con il centro FIRST focalizzato sulla ricerca elettrochimica ha studiato le interfacce dei materiali per l'accumulo di energia. "Questa è la chiave:è qui che avviene l'azione nell'accumulo di energia, " Gogotsi ha detto. "Fondamentalmente, questa è la frontiera dello stoccaggio di energia."

Il mercato dell'elettronica è dominato da batterie agli ioni di litio e supercondensatori. Sono utilizzati in molteplici applicazioni industriali e di consumo che richiedono l'accumulo di energia elettrochimica, o EES, dispositivi, perché sono noti per operare in modo sicuro ed efficiente in vari ambienti, soprattutto ad alte o basse temperature.

L'elettrolita è un componente essenziale nei dispositivi EES. È il ponte conduttore per trasportare gli ioni tra gli elettrodi positivo e negativo. L'efficacia di questo processo determina le prestazioni del dispositivo:la velocità con cui la batteria può essere caricata e quanta energia può erogare una volta scaricata. Modifiche indesiderate all'elettrolita possono anche influire sul numero di cicli di carica che può sopportare prima che la batteria diventi meno efficiente.

Secondo il documento di revisione, i liquidi ionici si dimostrano promettenti come alternativa sicura agli elettroliti organici convenzionali. liquidi ionici, o IL, sono noti per essere stabili e non infiammabili e tendono a non evaporare. Possono potenzialmente funzionare fino a sei volt, che offre la possibilità di una maggiore densità di energia. (Una batteria domestica standard è di circa 1,5 volt, e una batteria agli ioni di litio è da 3 a 3,5 volt.)

Però, l'interazione di IL con materiali di nuova concezione non è ben compresa. Gli studi su elettrodi migliorati hanno registrato tempi di ricarica più rapidi, ma quelle batterie usavano elettroliti convenzionali. Gli IL tendono a caricarsi più lentamente; ancora, la ricerca di elettrodi avanzati e IL sull'interfaccia potrebbe in definitiva migliorare le prestazioni della batteria o del supercondensatore, sfruttando al tempo stesso i noti benefici degli IL.

Il team di scienziati dell'ORNL, Drexel, Università di Boston e Università della California, lungo il fiume, suggerire un approccio olistico in modo che l'intero dispositivo di accumulo di energia possa funzionare con successo.

"L'obiettivo principale di questa revisione lungimirante è delineare la direzione della ricerca, guidare la comunità dove cercare soluzioni, sfruttare le cose buone che i liquidi ionici possono offrire e risolvere i problemi esistenti per uno stoccaggio di energia più sicuro, " Egli ha detto.

Andare avanti con l'abbinamento di migliaia di liquidi ionici con numerose scelte di nuovi materiali avanzati per batterie richiederà potenza di calcolo, apprendimento automatico e intelligenza artificiale per gestire le enormi quantità di dati e le possibili combinazioni e i potenziali risultati.

Il PRIMO EFRC presso l'ORNL utilizza un approccio di modellazione computazionale per ottenere una comprensione fondamentale e modelli concettuali e computazionali convalidati sperimentalmente di interfacce fluido-solido presenti in sistemi e dispositivi energetici avanzati, comprese le batterie, supercondensatori e celle foto ed elettrochimiche.

Il centro rappresenta un approccio unico, riunire creativi, team scientifici multidisciplinari per affrontare le sfide più difficili che impediscono i progressi nelle tecnologie energetiche.

"La missione del nostro centro è di raggiungere una comprensione fondamentale e convalidata, modelli predittivi dell'origine atomistica dell'elettrolita e del trasporto di elettroni accoppiati in regime di nanoconfinamento. Ciò consentirà progressi trasformativi nello stoccaggio di energia elettrica capacitiva e altri sistemi di interfaccia rilevanti per l'energia, " ha detto Sheng Dai di ORNL, che guida il PRIMO EFRC.

"La profonda comprensione dell'accoppiamento tra materiale dell'elettrodo e liquido ionico è parte dell'equazione per realizzare la nostra missione, " Ha aggiunto.

Il documento intitolato, "Accoppiamento materiale elettrodo-liquido ionico per l'accumulo di energia elettrochimica, " è stato co-autore di Xuehang Wang, Babak Anasori e Yury Gogotsi della Drexel University; Maryam Salari, Jennifer Chapman Varela e Mark W. Grinstaff dell'Università di Boston; De-en Jiang dell'Università della California, riva del fiume; e David J. Wesolowski e Sheng Dai di ORNL.