L'ingegnere riceve il premio NSF CARRIERA per migliorare il litio

May 15, 2023

Credito: Adobe Stock. Tutti i diritti riservati.

31 maggio 2023

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania — Le batterie agli ioni di litio alimentano la maggior parte dei dispositivi elettronici, dagli smartphone ai veicoli elettrici, e vengono persino utilizzate per immagazzinare energia per alimentare intere case. A livello globale, gli analisti di marketing prevedono che il mercato delle batterie agli ioni di litio crescerà da 65,9 miliardi di dollari nel 2021 a 273,8 miliardi di dollari entro il 2030. Sebbene l’uso delle batterie agli ioni di litio continui ad espandersi a un ritmo rapido, non si sa molto sulle forze che governano i processi chiave che impatto sulle prestazioni.

Feifei Shi, assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria energetica e minerale della famiglia John e Willie Leone, ha ricevuto un premio Faculty Early Career Development Program (CAREER) da 594.788 dollari dalla National Science Foundation (NSF) per ripensare i modelli elettrochimici fondamentali e potenzialmente trasformare il modo in cui il litio Sono progettate batterie agli ioni di litio. L’impatto potrebbe essere visto in tutte le applicazioni elettrochimiche che utilizzano elettroliti liquidi, come batterie a flusso, celle a combustibile e supercondensatori, il cui utilizzo spazia dai prodotti di consumo allo stoccaggio di energia su scala di rete.

Secondo Shi, la mancanza di una comprensione più approfondita deriva, in parte, dalla scoperta del doppio strato elettronico (EDL), il fenomeno elettrico che si verifica quando un liquido e una superficie interagiscono provocando uno strato superficiale elettricamente carico. I modelli iniziali creati agli inizi del 1900 sono stati un pilastro dell’elettrochimica, ma fino ad ora non molti ricercatori li hanno esaminati ulteriormente.

"L'apprendimento del doppio strato elettrico è uno dei primi modelli a cui sei esposto in un corso di elettrochimica classica, se non il primo", ha detto Shi. "Il modello immagina ioni perfettamente sferici, ideali, ma in realtà quella semplicità non esiste. Non possiamo più ignorare la dimensione, la forma o lo spazio che occupano gli ioni."

Shi si occupa spesso di EDL nella sua ricerca esplorando le proprietà interfacciali e trovare ioni come quelli raffigurati nel modello non è stata la sua esperienza. Ha spiegato che gli ioni si ramificano e hanno increspature visibili negli elettroliti della batteria. Inoltre, nei solventi salini organici i microsistemi sono più grandi, più dinamici e hanno una gamma più ampia di proprietà previste rispetto ai solventi semplici come l’acqua. Shi ritiene che un quadro fisico più accurato di tali differenze consentirà ai ricercatori e agli sviluppatori di batterie di comprendere meglio la cinetica interfacciale nelle prestazioni della batteria, ha affermato.

"Tutto è progettato sulla base dell'EDL", ha detto Shi. "Quindi, se il tuo punto di partenza non è compreso al 100%, come puoi sapere da dove cominciare? Comprendere un componente così cruciale è essenziale per una progettazione della batteria migliore e più razionale."

Molti processi che si verificano nell'EDL influiscono direttamente sulle prestazioni della batteria, ha affermato Shi, indicando il suo cellulare e notando come tutti abbiano sperimentato i risultati di una batteria invecchiata e come con il passare del tempo le batterie non mantengano la carica così a lungo o richiedano una carica più frequente. ricarica. Questo decadimento di potenza è il risultato della corrosione o dell'accumulo sullo strato di passivazione all'interno dell'interfaccia, ha spiegato. Alla fine, l'energia viene consumata e gli elettroliti liquidi all'interno della batteria si seccano. La velocità di ricarica di una batteria è determinata dai comportamenti cinetici nell'EDL che influenzano la velocità e la libertà di trasferimento degli elettroni e il modo in cui gli ioni migrano tra l'interfaccia. Per i veicoli elettrici (EV), ciò significa che le massime priorità della maggior parte dei potenziali acquirenti di auto elettriche, come l’autonomia e la velocità di ricarica, possono essere migliorate con una migliore comprensione dell’EDL.

Per come la vede Shi, il lavoro è urgente, ha detto. È motivata dal modo in cui i progressi nella scienza applicata e nell'ingegneria superano gli sviluppi nella scienza fondamentale. Spesso vede nuovi prodotti rilasciati prima che la conoscenza possa accumularsi attraverso la sperimentazione e la comprensione fondamentale. Considerando la scadenza del 2050 per l’azzeramento netto previsto dall’Accordo di Parigi, la necessità di concentrarsi sui fondamentali è più importante, ha affermato Shi.

"Abbiamo bisogno di un nuovo canone di comprensione", ha detto Shi. "Ora è il momento che la ricerca fondamentale raggiunga e spinga oltre i confini della nostra conoscenza e, si spera, ispiri un nuovo quadro o una nuova ipotesi che possa aiutarci a soddisfare il fabbisogno energetico delle nostre società nel modo più sostenibile possibile."