科学家的新方法可能会加速高功率电池的设计

斯坦福科学家领导的研究有望提高汽车电池等大功率电子存储设备的性能。

在最近发表在应用物理快报上的研究中，研究人员描述了一种用于设计用于存储电力的新材料的数学模型。该模型对化学家和材料科学家来说是一个巨大的好处，他们传统上依靠反复试验为电池和电容器制造新材料。推进用于储能的新材料是减少运输和电力行业碳排放的重要一步。

研究报告的共同作者，地球，能源与环境科学学院教授Daniel Tartakovsky说：“这里的潜力是你可以制造持续时间更长的电池并使它们更小。” “如果你能够设计出比我们现有的存储容量更高的材料，那么你可以大大提高电池的性能。”

降低障碍

从化石燃料转变为可再生能源的主要障碍之一是能够储存能量供以后使用，例如在太阳能发电时太阳不发光的时间。随着越来越多的公司转向可再生能源，对廉价，高效存储的需求也在增加，这些能源可以带来显着的公共健

Tartakovsky希望通过这种模式开发的新材料将改进超级电容器，这是一种下一代能量存储器，可替代手机和电动汽车等高科技设备中的可充电电池。超级电容器结合了目前可用于储能的最佳电池 - 电池虽然能量很大，但充电速度很慢，而电容器充电速度快，但能量却很少。这些材料必须能够承受高功率和高能量，以避免破裂，爆炸或着火。

“现有电池和其他存储设备是向清洁能源过渡的主要瓶颈，”塔塔科夫斯基说。“有很多人在研究这个问题，但这是一种解决问题的新方法。”

广泛用于开发储能的材料类型(称为纳米多孔材料)看起来对人眼来说是固体，但含有微观孔，赋予它们独特的性质。迄今为止，开发新的，可能更好的纳米多孔材料是一个试验和错误的问题 - 在模具中安排不同尺寸的微小二氧化硅颗粒，用固体物质填充模具，然后溶解颗粒以产生含有的材料。很多小洞。该方法需要大量的计划，人工，实验和修改，而不保证最终结果将是最好的选择。

“我们开发了一种模型，可以让材料化学家知道如果谷物以某种方式排列，而不经过这些实验，就性能而言会有什么期望，”Tartakovsky说。“这个框架还表明，如果按照模型的建议安排你的谷物，那么你将获得最大的性能。”

超越能量

能源只是利用纳米多孔材料的一个行业，Tartakovsky说他希望这种模式也适用于其他领域。

“这个特殊的应用是用于电存储，但你也可以用它来进行脱盐或任何膜净化，”他说。“该框架允许您处理不同的化学成分，因此您可以将其应用于您设计的任何多孔材料。”

Tartakovsky的数学建模研究涵盖神经科学，城市发展，医学等。他说，作为一名地球科学家和能源资源工程教授，他是多孔介质流动和运输方面的专家，这些知识在各学科之间往往未得到充分利用。Tartakovsky对优化电池设计的兴趣源于与长崎大学材料工程团队的合作。

“这位的合作者从未考虑过与水文学家交谈，”塔塔科夫斯基说。“除非你做公式，否则不明显 - 如果你做公式，那么你就会明白这些是类似的问题。”

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