Forskare letar efter sätt att förbättra ett batteris förmåga att hålla en laddning längre, använda avancerade material som är säkra, stabil och effektiv, har bestämt att själva materialen bara är en del av lösningen.

Faktiskt, studier på gränssnittet mellan batterimaterial, tillsammans med ökad kunskap om processerna i arbetet, släpper lös en våg av kunskap som behövs för att snabbare möta efterfrågan på bärbar elektronik som håller längre, elfordon och stationär energilagring för elnätet.

"Om vi ​​behöver bättre energilagring, vi behöver bättre förstå vad som händer i gränssnittet mellan elektrolyten och batteriet eller superkondensatormaterialet, sa Yury Gogotsi från Drexel University, motsvarande författare för ett framåtblickande granskningsdokument publicerat i Naturrecensioner Material .

Drexel är ett partneruniversitet för Fluid Interface Reactions, Strukturer och transporter, eller FÖRST, Centrum, ett Energy Frontier Research Center beläget vid Oak Ridge National Laboratory och finansierat av Department of Energy.

De senaste 11 åren, en grupp forskare med FIRST-centret fokuserat på elektrokemisk forskning har studerat gränssnitten mellan material för energilagring. "Detta är nyckeln - det är där åtgärder sker vid energilagring, " Sa Gogotsi. "I grund och botten, detta är gränsen för energilagring."

Elektronikmarknaden domineras av litiumjonbatterier och superkondensatorer. De används i flera konsument- och industriella tillämpningar som kräver elektrokemisk energilagring, eller EES, enheter, eftersom de är kända för att fungera säkert och effektivt i olika miljöer, speciellt vid höga eller låga temperaturer.

Elektrolyten är en viktig komponent i EES-enheter. Det är den ledande bryggan för att transportera joner mellan de positiva och negativa elektroderna. Hur väl denna process sker avgör enhetens prestanda – hur snabbt batteriet kan laddas och hur mycket ström det kan leverera när det laddas ur. Oönskade förändringar av elektrolyten kan också påverka antalet laddningscykler som den kan utstå innan batteriet blir mindre effektivt.

Enligt granskningspapperet, joniska vätskor visar lovande som ett säkert alternativ till konventionella organiska elektrolyter. Joniska vätskor, eller ILs, är kända för att vara stabila och icke brandfarliga och tenderar att inte avdunsta. De kan potentiellt driva upp till sex volt, vilket ger möjlighet till högre energitäthet. (Ett vanligt hushållsbatteri är cirka 1,5 volt, och ett litiumjonbatteri är 3 till 3,5 volt.)

Dock, interaktionen mellan IL och nyutvecklade material är inte väl förstått. Studier av förbättrade elektroder har registrerat snabbare laddningstider, men dessa batterier använde konventionella elektrolyter. IL:er tenderar att laddas långsammare; än, Att undersöka avancerade elektroder och IL vid gränssnittet kan i slutändan förbättra batteriets eller superkondensatorns prestanda samtidigt som man drar fördel av de kända fördelarna med IL:er.

Teamet av forskare från ORNL, Drexel, Boston University och University of California, Riverside, föreslå ett helhetsgrepp så att hela energilagringsenheten kan fungera framgångsrikt.

"Huvudmålet med denna framåtblickande granskning är att beskriva forskningsriktningen, vägleda samhället var de ska leta efter lösningar, dra nytta av det goda som joniska vätskor kan erbjuda och lösa de befintliga problemen för säkrare energilagring, " han sa.

Att driva framåt med att matcha tusentals joniska vätskor med många val av nya avancerade batterimaterial kommer att kräva beräkningskraft, maskininlärning och artificiell intelligens för att hantera de enorma mängderna data och möjliga kombinationer och potentiella resultat.

FIRST EFRC vid ORNL använder en beräkningsmodelleringsmetod för att uppnå grundläggande förståelse och experimentellt validerade konceptuella och beräkningsmodeller av vätske-fasta gränssnitt som finns i avancerade energisystem och enheter, inklusive batterier, superkondensatorer och foto- och elektrokemiska celler.

Centret representerar ett unikt tillvägagångssätt, föra samman kreativa, multidisciplinära vetenskapliga team för att ta itu med de tuffaste utmaningarna som förhindrar framsteg inom energiteknik.

"Vårt centers uppdrag är att uppnå grundläggande förståelse och validerad, prediktiva modeller av elektrolytens atomistiska ursprung och kopplad elektrontransport under nanoinneslutning. Detta kommer att möjliggöra transformativa framsteg inom kapacitiv lagring av elektrisk energi och andra energirelevanta gränssnittssystem, " sa ORNLs Sheng Dai, som leder den FÖRSTA EFRC.

"Den djupa förståelsen av elektrodmaterial-jonisk vätskekoppling är en del av ekvationen för att uppnå vårt uppdrag, " han lade till.

Tidningen med titeln, "Elektrodmaterial–jonisk vätskekoppling för elektrokemisk energilagring, " var medförfattare av Xuehang Wang, Babak Anasori och Yury Gogotsi från Drexel University; Maryam Salari, Jennifer Chapman Varela och Mark W. Grinstaff från Boston University; De-en Jiang vid University of California, Riverside; och David J. Wesolowski och Sheng Dai från ORNL.