Ein neuer Ansatz kann das Design von Hochleistungsbatterien beschleunigen

Amory Lovins: A 40-year plan for energy (April 2019).

Anonim

Die von einem Stanford-Wissenschaftler geleitete Forschung verspricht, die Leistung von elektrischen Hochleistungsspeichergeräten wie Autobatterien zu erhöhen.

In einer Arbeit, die diese Woche in Applied Physics Letters veröffentlicht wurde, beschreiben die Forscher ein mathematisches Modell für die Konstruktion neuer Materialien zur Speicherung von Elektrizität. Das Modell könnte ein großer Vorteil für Chemiker und Materialwissenschaftler sein, die sich traditionell auf Versuch und Irrtum verlassen, um neue Materialien für Batterien und Kondensatoren zu schaffen. Die Förderung neuer Materialien für die Energiespeicherung ist ein wichtiger Schritt zur Verringerung der CO2-Emissionen in den Bereichen Verkehr und Elektrizität.

"Das Potenzial besteht darin, dass Sie Batterien bauen können, die viel länger halten und sie viel kleiner machen", sagte Studienkoautor Daniel Tartakovsky, Professor an der Schule für Erd-, Energie- und Umweltwissenschaften. "Wenn Sie ein Material mit einer weitaus besseren Speicherkapazität als heute entwickeln könnten, könnten Sie die Leistung von Batterien drastisch verbessern."

Eine Barriere senken

Eines der Haupthindernisse für den Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien ist die Fähigkeit, Energie für den späteren Gebrauch zu speichern, z. B. in Zeiten, in denen die Sonne im Fall von Solarenergie nicht scheint. Die Nachfrage nach billiger und effizienter Lagerung steigt, da immer mehr Unternehmen auf erneuerbare Energiequellen zurückgreifen, die erhebliche Vorteile für die öffentliche Gesundheit bieten.

Tartakovsky hofft, dass die neuen Materialien, die durch dieses Modell entwickelt werden, Superkondensatoren verbessern werden, eine Art Energiespeicher der nächsten Generation, die wiederaufladbare Batterien in Hightech-Geräten wie Mobiltelefonen und Elektrofahrzeugen ersetzen könnte. Superkondensatoren kombinieren das Beste, was derzeit für Energiespeicher verfügbar ist - Batterien, die viel Energie speichern, aber langsam laden, und Kondensatoren, die schnell laden, aber wenig Energie speichern. Die Materialien müssen sowohl hoher Energie als auch hoher Energie widerstehen können, um zu vermeiden, dass sie brechen, explodieren oder Feuer fangen.

"Aktuelle Batterien und andere Speichergeräte sind ein großer Engpass für den Übergang zu sauberer Energie", sagte Tartakovsky. "Es gibt viele Leute, die daran arbeiten, aber dies ist ein neuer Ansatz, um das Problem zu betrachten."

Die Arten von Materialien, die weit verbreitet sind, um Energiespeicher zu entwickeln, bekannt als nanoporöse Materialien, sehen für das menschliche Auge fest aus, enthalten jedoch mikroskopische Löcher, die ihnen einzigartige Eigenschaften verleihen. Die Entwicklung neuer, möglicherweise besser nanoporöser Materialien war bisher eine Frage des Ausprobierens - das Anordnen von winzigen Körnern von Siliziumdioxid unterschiedlicher Größe in einer Form, das Füllen der Form mit einer festen Substanz und dann das Auflösen der Körner, um ein Material zu erzeugen, das viele enthält kleine Löcher. Die Methode erfordert umfangreiche Planung, Arbeit, Experimente und Modifikationen, ohne dass das Endergebnis die bestmögliche Option ist.

"Wir haben ein Modell entwickelt, das es Materialchemikern ermöglicht, zu wissen, was in Bezug auf die Leistung zu erwarten ist, wenn die Körner in einer bestimmten Weise angeordnet sind, ohne diese Experimente durchzuführen", sagte Tartakovsky. "Dieses Framework zeigt auch, dass Sie, wenn Sie Ihre Körner wie das Modell vorschlagen, die maximale Leistung erhalten."

Jenseits von Energie

Energie ist nur eine Industrie, die nanoporöse Materialien nutzt, und Tartakovsky hofft, dass dieses Modell auch in anderen Bereichen anwendbar sein wird.

"Diese spezielle Anwendung ist für die elektrische Speicherung, aber Sie können sie auch für die Entsalzung oder für eine Membranreinigung verwenden", sagte er. "Der Rahmen ermöglicht es Ihnen, mit verschiedenen chemischen Substanzen umzugehen, sodass Sie sie auf jedes poröse Material anwenden können, das Sie entwerfen."

Tartakovskys mathematische Modellierungsforschung umfasst Neurowissenschaften, Stadtentwicklung, Medizin und mehr. Als Erdwissenschaftler und Professor für Energieressourcen-Engineering ist er Experte für das Fließen und den Transport von porösen Medien, ein Wissen, das in vielen Disziplinen oft nicht ausreichend genutzt wird. Tartakovskys Interesse an der Optimierung des Batteriendesigns ist auf die Zusammenarbeit mit einem Werkstofftechnik-Team an der Universität von Nagasaki in Japan zurückzuführen.

"Dieser japanische Kollaborateur von mir hatte nie daran gedacht, mit Hydrologen zu sprechen", sagte Tartakovsky. "Es ist nicht offensichtlich, es sei denn, Sie tun Gleichungen - wenn Sie Gleichungen tun, dann verstehen Sie, dass dies ähnliche Probleme sind."

menu
menu