Исследование может привести к повышению емкости и эффективности систем хранения электроэнергии, таких как батареи и суперконденсаторы, необходимых для удовлетворения растущих потребностей потребительских, промышленных и экологически чистых технологий.
Технологии будущего требуют, чтобы системы хранения энергии имели гораздо большую емкость хранения, быструю смену заряда / разряда и повышенную долговечность. Прогресс в этих областях требует более полного понимания процессов накопления энергии от атомных до микронных масштабов. Поскольку эти сложные процессы могут значительно меняться по мере того, как система заряжается и разряжается, исследователи все больше сосредотачиваются на том, как заглянуть внутрь работающей системы накопления энергии.
Хотя вычислительные подходы продвинулись вперед за последние несколько десятилетий, разработка экспериментальных подходов была очень сложной, особенно для изучения легких элементов, которые преобладают в материалах для аккумулирования энергии.
Недавняя работа группы под руководством LLNL позволила разработать новую возможность рентгеновской адсорбционной спектроскопии, которая тесно связана с усилиями по моделированию, чтобы предоставить ключевую информацию о том, как поляризация электрода — электролита влияет на структуру и связь графитовых углеродных электродов суперконденсатора. интерфейсы во время зарядки.
Графитовые суперконденсаторы являются идеальными модельными системами для исследования межфазных явлений, поскольку они относительно химически стабильны, широко охарактеризованы экспериментально и теоретически и представляют интерес с технологической точки зрения. Команда использовала недавно разработанный объемный электродный материал 3D-нанографен (3D-NG) в качестве модельного графитового материала.
«Наша недавно разработанная возможность рентгеновской адсорбционной спектроскопии позволила нам обнаружить сложные, вызванные электрическим полем изменения в электронной структуре, которые претерпевают электроды суперконденсатора на основе графена во время работы. Анализ этих изменений предоставил информацию о том, как структура и сцепление электродов развиваются во время зарядки и разрядки », — сказал Джонатан Ли, ученый LLNL и автор статьи, которая должна появиться в качестве обложки журнала от 4 марта. , Современные материалы. «Интеграция уникальных возможностей моделирования для изучения границы раздела заряженный электрод-электролит сыграла решающую роль в нашей интерпретации экспериментальных данных."
Обнаружение того, что электронная структура электродов графитового углеродного суперконденсатора может быть адаптирована с помощью индуцированных зарядом взаимодействий электрод-электролит, открывает новое окно в сторону более эффективных систем электрохимического накопления энергии. Кроме того, экспериментальные методы и методы моделирования, разработанные в ходе исследования, легко применимы к другим материалам и технологиям накопления энергии.