Forskning som leds av en forskare från Stanford lovar att öka prestandan för kraftfulla elektriska lagringsenheter, som bilbatterier.

I arbete som publicerades den här veckan i Tillämpad fysikbokstäver , forskarna beskriver en matematisk modell för att utforma nya material för lagring av elektricitet. Modellen kan vara en stor fördel för kemister och materialforskare, som traditionellt förlitar sig på försök och fel för att skapa nya material för batterier och kondensatorer. Att främja nya material för energilagring är ett viktigt steg mot att minska koldioxidutsläppen inom transport- och elsektorn.

"Potentialen här är att du kan bygga batterier som håller mycket längre och göra dem mycket mindre, "säger studieförfattaren Daniel Tartakovsky, en professor vid jordskolan, Energi- och miljövetenskap. "Om du kunde konstruera ett material med en mycket överlägsen lagringskapacitet än vad vi har idag, då kan du dramatiskt förbättra batteriets prestanda. "

Sänka en barriär

Ett av de främsta hindren för övergången från fossila bränslen till förnybara energikällor är möjligheten att lagra energi för senare användning, till exempel under timmar när solen inte skiner när det gäller solenergi. Efterfrågan på billig, effektiv lagring har ökat i takt med att fler företag vänder sig till förnybara energikällor, som erbjuder betydande folkhälsofördelar.

Tartakovsky hoppas att de nya materialen som utvecklats genom denna modell kommer att förbättra superkondensatorer, en typ av nästa generations energilagring som kan ersätta laddningsbara batterier i högteknologiska enheter som mobiltelefoner och elfordon. Superkondensatorer kombinerar det bästa av det som för närvarande finns tillgängligt för energilagring - batterier, som rymmer mycket energi men laddar långsamt, och kondensatorer, som laddas snabbt men håller lite energi. Materialen måste klara både hög effekt och hög energi för att undvika att bryta, exploderar eller tar eld.

"Nuvarande batterier och andra lagringsenheter är en stor flaskhals för övergången till ren energi, "Tartakovsky sa." Det är många som arbetar med detta, men det här är ett nytt sätt att se på problemet. "

De typer av material som ofta används för att utveckla energilagring, känd som nanoporösa material, ser solida ut för det mänskliga ögat men innehåller mikroskopiska hål som ger dem unika egenskaper. Utvecklar nytt, möjligen har bättre nanoporösa material, tills nu, varit en fråga om försök och fel - att ordna små korn av kiseldioxid av olika storlekar i en form, fylla formen med en fast substans och sedan lösa kornen för att skapa ett material som innehåller många små hål. Metoden kräver omfattande planering, arbetskraft, experiment och modifieringar, utan att garantera att slutresultatet blir det bästa möjliga alternativet.

"Vi utvecklade en modell som skulle göra det möjligt för materialkemister att veta vad de kan förvänta sig när det gäller prestanda om kornen är ordnade på ett visst sätt, utan att gå igenom dessa experiment, "Tartakovsky sa." Denna ram visar också att om du ordnar dina spannmål som modellen föreslår, då får du maximal prestanda. "

Utöver energi

Energi är bara en industri som använder sig av nanoporösa material, och Tartakovsky sa att han hoppas att den här modellen kommer att vara tillämplig på andra områden, också.

"Denna speciella applikation är för elektrisk lagring, men du kan också använda den för avsaltning, eller någon membranrening, "sa han." Ramverket låter dig hantera olika kemier, så att du kan applicera den på alla porösa material som du designar. "

Tartakovskijs matematiska modelleringsforskning spänner över neurovetenskap, Urban utveckling, medicin och mer. Som jordvetare och professor i energiresursteknik, han är expert på flöde och transport av porösa medier, kunskap som ofta är underutnyttjad inom olika discipliner, han sa. Tartakovskijs intresse för att optimera batteridesign härrörde från samarbete med ett materialtekniskt team vid University of Nagasaki i Japan.

"Den här japanska medarbetaren hade aldrig tänkt på att prata med hydrologer, "Sa Tartakovsky." Det är inte självklart om du inte gör ekvationer - om du gör ekvationer, då förstår du att det här är liknande problem. "