När det gäller att designa och optimera mekaniska system, forskare förstår de fysiska lagarna som omger dem tillräckligt bra för att skapa datormodeller som kan förutsäga deras egenskaper och beteende. Dock, forskare som arbetar med att designa bättre elektrokemiska system, som batterier eller superkondensatorer, har ännu inte en heltäckande modell av de drivkrafter som styr komplext elektrokemiskt beteende.

Efter åtta års forskning om beteendet hos dessa material och deras egenskaper, forskare från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, DOE:s National Renewable Energy Laboratory och University of Colorado-Boulder har utvecklat en konceptuell modell som kombinerar befintliga teorier för att bilda en mer allmän teori om elektrokemi som förutsäger tidigare oförklarligt beteende.

Den nya modellen, kallas Unified Electrochemical Band-Diagram Framework (UEB), kombinerar grundläggande elektrokemisk teori med teorier som används i olika sammanhang, såsom studier av fotoelektrokemi och halvledarfysik, för att beskriva fenomen som uppstår i vilken elektrod som helst.

Forskningen började med studien av alfa -manganoxid, ett material som snabbt kan laddas och urladdas, vilket gör den idealisk för vissa batterier. Forskarna ville förstå mekanismen bakom materialets unika egenskaper så att de kunde förbättra det.

"Det fanns inget tillfredsställande svar på hur materialet fungerade, " sa Argonne-forskaren Matthias Young, "men efter att ha gjort många beräkningar på systemet, vi upptäckte att genom att kombinera teorier, vi skulle kunna förstå mekanismen. "

Omfattande testning av flera andra material har hjälpt forskarna att utveckla modellen och visa dess användbarhet för att förutsäga exceptionella fenomen.

"Modellen beskriver hur egenskaper hos ett material och dess miljö interagerar med varandra och leder till transformationer och nedbrytning, ", sa Young. "Det hjälper oss att förutsäga vad som kommer att hända med ett material i en specifik miljö. Kommer det att falla isär? Kommer det att lagra avgift?"

Beräkningsmodeller som använder UEB gör det inte bara möjligt för forskare att förutsäga materialbeteende, men kan också informera vilka ändringar av materialet som kan förbättra dess prestanda.

"Det finns modeller där ute som gör korrekta förutsägelser, men de ger dig inte verktygen för att göra materialet bättre, " sa Young. "Den här modellen ger dig de konceptuella handtagen du kan vända dig till för att ta reda på vad du ska ändra för att förbättra materialets prestanda."

Eftersom modellen är generell och grundläggande, den har potential att hjälpa forskare i utvecklingen av vilken elektrod som helst, inklusive de som används för batterier, katalys, superkondensatorer och till och med avsaltning.

"Vi får något som är mer än summan av dess delar, " sa Young. "Vi har tagit mycket briljant arbete av många olika människor, och vi förenade det till något som ger information som inte fanns där tidigare."