Flytande elektrolyter är viktiga komponenter i en mängd olika framväxande energiteknologier, inklusive batterier, superkondensatorer och sol-till-bränsle-enheter.

"För att förutsäga och optimera prestandan för dessa enheter, en detaljerad förståelse av elektrolyterna, särskilt deras elektroniska egenskaper, såsom joniseringspotential och elektronaffinitet, är kritisk, "sa Anh Pham, en Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Lawrence Fellow i Quantum Simulations Group, och huvudförfattare till ett papper i 23 juni -utgåvan av Science Advances.

Som ett exempel, Pham pekade på hur korrekt energinriktning vid elektrod-elektrolytgränssnittet för fotoelektrokemiska (PEC) celler är nyckeln till att uppnå effektiv väteproduktion.

Pham, tillsammans med LLNL -forskaren Eric Schwegler, Robert Seidel och Steven Bradforth från University of Southern California, och Marco Govoni och Giulia Galli från Argonne National Laboratory och University of Chicago, har presenterat en experimentellt validerad simuleringsstrategi för beräkning av de elektroniska egenskaperna hos vattenhaltiga elektrolyter.

Teamet simulerade och mätte direkt elektronisk excitation av olika solvaterade joner i flytande vatten. Genom att kombinera molekylära dynamiksimuleringar med de första principerna med toppmoderna elektroniska strukturmetoder, laget kunde förutsäga excitationsenergierna för lösningsmedlen och lösta ämnen, såsom joniseringspotentialerna för de solvatiserade jonerna. Teamet visade också att kopplingen av denna teoretiska ram med avancerade spektroskopitekniker ger ett kraftfullt verktyg för identifiering av kemiska arter och reaktioner som uppstår i lösningar.

Den nya metoden öppnar möjligheten att förutsäga det elektroniska svaret i komplexa elektrolyter för en rad applikationer. Till exempel, forskningen gav en teoretisk grund för att förstå och konstruera de elektroniska egenskaperna hos flytande elektrolyter i PEC -celler för väteproduktion och jonisk vätska för batterier.

"Den föreslagna beräkningsramen är allmän och tillämplig på icke-metalliska vätskor, erbjuder stort löfte om förståelse och konstruktionslösningar och flytande elektrolyter för en mängd viktiga energitekniker, Sa Pham.

I en bredare mening, den nya simuleringsförmågan representerar det första steget mot en enhetlig metod för simulering av realistiska, heterogena gränssnitt i elektrokemiska system.