Lorsqu'il s'agit de concevoir et d'optimiser des systèmes mécaniques, les scientifiques comprennent suffisamment bien les lois physiques qui les entourent pour créer des modèles informatiques capables de prédire leurs propriétés et leur comportement. Cependant, des scientifiques qui travaillent à la conception de meilleurs systèmes électrochimiques, comme les batteries ou les supercondensateurs, n'ont pas encore de modèle complet des forces motrices qui régissent le comportement électrochimique complexe.

Après huit années de recherche sur le comportement de ces matériaux et leurs propriétés, des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), Le Laboratoire national des énergies renouvelables du DOE et l'Université du Colorado-Boulder ont développé un modèle conceptuel qui combine les théories existantes pour former une théorie plus générale de l'électrochimie qui prédit un comportement auparavant inexpliqué.

Le nouveau modèle, appelé cadre de diagramme de bande électrochimique unifié (UEB), fusionne la théorie électrochimique de base avec les théories utilisées dans différents contextes, comme l'étude de la photoélectrochimie et de la physique des semi-conducteurs, pour décrire les phénomènes qui se produisent dans n'importe quelle électrode.

La recherche a commencé par l'étude de l'oxyde de manganèse alpha, un matériau qui peut se charger et se décharger rapidement, le rendant idéal pour certaines batteries. Les scientifiques voulaient comprendre le mécanisme derrière les propriétés uniques du matériau afin de pouvoir l'améliorer.

"Il n'y avait pas de réponse satisfaisante à la façon dont le matériau fonctionnait, " a déclaré le scientifique d'Argonne Matthias Young, "mais après avoir fait beaucoup de calculs sur le système, nous avons découvert qu'en combinant des théories, nous pourrions donner un sens au mécanisme.

Des tests approfondis de plusieurs autres matériaux ont aidé les scientifiques à développer le modèle et à démontrer son utilité pour prédire des phénomènes exceptionnels.

« Le modèle décrit comment les propriétés d'un matériau et de son environnement interagissent les unes avec les autres et conduisent à des transformations et des dégradations, " a déclaré Young. "Cela nous aide à prédire ce qui arrivera à un matériau dans un environnement spécifique. Va-t-il s'effondrer ? Stockera-t-il la charge ?"

Les modèles informatiques utilisant l'UEB permettent non seulement aux scientifiques de prédire le comportement des matériaux, mais peut également indiquer quelles modifications du matériau pourraient améliorer ses performances.

"Il existe des modèles qui font des prédictions correctes, mais ils ne vous donnent pas les outils pour améliorer le matériel, " a déclaré Young. " Ce modèle vous donne les poignées conceptuelles que vous pouvez utiliser pour déterminer ce qu'il faut changer pour améliorer les performances du matériau. "

Parce que le modèle est général et fondamental, il a le potentiel d'aider les scientifiques dans le développement de n'importe quelle électrode, y compris celles utilisées pour les batteries, catalyse, supercondensateurs et même le dessalement.

"Nous gagnons quelque chose qui est plus que la somme de ses parties, " a déclaré Young. " Nous avons pris beaucoup de travail brillant par de nombreuses personnes différentes, et nous l'avons unifié en quelque chose qui fournit des informations qui n'existaient pas auparavant."