Redoxflödesbatterier är en framväxande teknik för elektrokemisk energilagring som kan bidra till att öka användningen av kraft producerad av förnybara energiresurser. Dessa kraftresurser är till sin natur oregelbundna i sitt utbud, som vanligtvis inte överensstämmer med efterfrågan på elnätet. I princip, redoxflödesbatterier kan utformas för att ha en energilagringskapacitet som är oberoende av dess effektvärde. Dock, i praktiken, hur lätt redoxaktiva molekyler transporteras till elektrodytor spelar en viktig roll för att bestämma deras effektivitet, den effekt som produceras eller laddas och, i vissa fall, deras livslängd.

I ett nytt papper, Universitetslektor Kyle Smith tog upp dessa utmaningar med en ny teori för att förutsäga hur vätskeflöde påverkar molekylernas förmåga att reagera på ytorna på porösa elektroder. "Modellering av övergående effekter av porskala konvektion och redoxreaktioner i Pseudo-Steady Limit" publicerades i ett fokusnummer av Journal of the Electrochemical Society till ära för Illinois 'Richard C. Alkire, Charles J. och Dorothy G. Prizer ordförande Emeritus vid Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik, tidigare rektor för forskning, och tidigare dekanus vid Graduate College. Alkire är känd över hela världen för sin expertis inom metallavsättning och flerskala simuleringar från atom-till-bearbetningsvåg.

Smith och hans doktorsexamen student teoretiserade i forskningen att reaktionshastigheterna vid mikroskopiska skalor var relevanta för den underliggande mikroskopiska strukturen hos elektrodmaterialet. Resultaten av hans modell gjorde det möjligt för honom att förutsäga hur molekylär transport sker under så kallade övergående förhållanden, där koncentrationerna av redoxaktiva molekyler i batteriets elektrolyt förändras med tiden.

"Vi visade att dessa förhållanden är särskilt relevanta för driften av redoxflödesbatterier, som upplever dynamiska laddnings- och urladdningsprocesser där elektrolytkompositionen förändras med tiden. Detta stod i kontrast till tidigare arbete som hade beaktat sådana effekter främst från ett steady state -sammanhang där kompositionen är konstant i tid, "sa Smith." Teorin vi introducerade möjliggör förutsägelse av massaöverföringskoefficienter baserat på den mikroskopiska porstrukturen inom elektroder som elektrolyter laddas och urladdas inom. Med sådana möjligheter kan vi konstruera hur sådana strukturer ska utformas - med andra ord, hur man konstruerar dem. "

Smiths fynd påverkar många tekniska tillämpningar där transport i porskala är viktigt, inklusive vattenrening och avsaltning, katalytisk rening av industri- och fordonsavgaser, och transport av reaktiva mineraler och biologisk nedbrytning av levande celler.

Detta arbete relaterar väl till Alkires karriärforskning för att förbättra design inom teknik genom simuleringar i flera skalor. "Det övergripande målet med denna speciella volym är att tillgodose behovet av nya tekniska metoder, drivs av anmärkningsvärda upptäckter i molekylernas skala, samt snabb tillväxt i massiva dataarkiv. Fokus ligger på att utveckla nya designmetoder för att koppla beteende i molekylskala till traditionella elektrokemiska konstruktionsprocedurer i makroskopisk skala. Syftet är att bädda in kvalitetskontroll i molekylskala i välkonstruerade produkter och processer, "sade Alkire om fokusfrågan som publicerades till hans ära.