Les électrolytes liquides sont des composants essentiels dans une variété de technologies énergétiques émergentes, y compris les piles, supercondensateurs et dispositifs solaires à combustible.

« Pour prévoir et optimiser les performances de ces appareils, une compréhension détaillée des électrolytes, notamment leurs propriétés électroniques telles que le potentiel d'ionisation et l'affinité électronique, est critique, " dit Anh Pham, un Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Lawrence Fellow dans le Quantum Simulations Group, et l'auteur principal d'un article dans l'édition du 23 juin de Science Advances.

Par exemple, Pham a souligné à quel point un alignement correct de l'énergie à l'interface électrode-électrolyte des cellules photoélectrochimiques (PEC) est essentiel pour parvenir à une production efficace d'hydrogène.

Pham, avec Eric Schwegler, chercheur au LLNL, Robert Seidel et Steven Bradforth de l'Université de Californie du Sud, et Marco Govoni et Giulia Galli du Laboratoire national d'Argonne et de l'Université de Chicago, ont présenté une stratégie de simulation validée expérimentalement pour le calcul des propriétés électroniques des électrolytes aqueux.

L'équipe a directement simulé et mesuré l'excitation électronique de divers ions solvatés dans l'eau liquide. En combinant des simulations de dynamique moléculaire de principes premiers avec des méthodes de structure électronique de pointe, l'équipe a pu prédire les énergies d'excitation des solvants et des solutés, tels que les potentiels d'ionisation des ions solvatés. L'équipe a également démontré que le couplage de ce cadre théorique avec des techniques de spectroscopie avancées fournit un outil puissant pour l'identification des espèces chimiques et des réactions qui se produisent dans les solutions.

La nouvelle méthode ouvre la possibilité de prédire la réponse électronique dans les électrolytes complexes pour une gamme d'applications. Par exemple, la recherche a fourni une base théorique pour la compréhension et l'ingénierie des propriétés électroniques des électrolytes liquides dans les cellules PEC pour la production d'hydrogène et de liquide ionique pour les batteries.

"Le cadre de calcul proposé est général et applicable aux liquides non métalliques, offrant une grande promesse dans la compréhension et l'ingénierie des solutions et des électrolytes liquides pour une variété de technologies énergétiques importantes, " dit Pham.

Dans un sens plus large, la nouvelle capacité de simulation représente la première étape vers une méthode unifiée pour la simulation de réaliste, interfaces hétérogènes dans les systèmes électrochimiques.