Les batteries à flux redox sont une technologie émergente pour le stockage électrochimique de l'énergie qui pourrait aider à améliorer l'utilisation de l'énergie produite par les ressources énergétiques renouvelables. Ces ressources énergétiques sont par nature irrégulières dans leur alimentation, qui ne correspond généralement pas à la demande sur le réseau électrique. En principe, Les batteries redox flow peuvent être conçues pour avoir une capacité de stockage d'énergie indépendante de leur puissance nominale. Cependant, en pratique, la facilité avec laquelle les molécules actives redox sont transportées vers les surfaces des électrodes joue un rôle important dans la détermination de leur efficacité, la puissance produite ou chargée et, dans certains cas, leur durée de vie.

Dans un nouveau journal, Le professeur adjoint Kyle Smith a abordé ces défis avec une nouvelle théorie pour prédire comment l'écoulement de fluide affecte la capacité des molécules dans une batterie d'écoulement à réagir à la surface des électrodes poreuses. "Modéliser les effets transitoires de la convection à l'échelle des pores et des réactions redox dans la limite pseudo-stable" a été publié dans un numéro thématique de la Journal de la société électrochimique en l'honneur de Richard C. Alkire de l'Illinois, la chaire émérite Charles J. et Dorothy G. Prizer au Département de génie chimique et biomoléculaire, ancien vice-chancelier chargé de la recherche, et ancien doyen du Graduate College. Alkire est connu dans le monde entier pour son expertise dans les dépôts de métaux et les simulations multi-échelles de l'échelle atomique à celle du traitement.

Smith et son doctorat. l'étudiant a théorisé dans la recherche que les taux de réaction à l'échelle microscopique étaient pertinents pour la structure microscopique sous-jacente du matériau de l'électrode. Les résultats de son modèle lui ont permis de prédire comment se déroule le transport moléculaire dans des conditions dites transitoires, où les concentrations de molécules redox-actives dans l'électrolyte de la batterie changent avec le temps.

« Nous avons montré que ces conditions sont particulièrement pertinentes pour le fonctionnement des batteries à flux redox, qui subissent des processus de charge et de décharge dynamiques dans lesquels la composition de l'électrolyte change avec le temps. Cela contrastait avec les travaux antérieurs qui avaient considéré ces effets principalement dans un contexte d'état stable où la composition est constante dans le temps, " a déclaré Smith. " La théorie que nous avons introduite permet de prédire les coefficients de transfert de masse sur la base de la structure microscopique des pores dans les électrodes dans lesquelles les électrolytes sont chargés et déchargés. Avoir de telles capacités nous permet de concevoir comment de telles structures devraient être conçues - en d'autres termes, comment les concevoir. »

La découverte de Smith a un impact sur de nombreuses applications d'ingénierie où le transport à l'échelle des pores est important, y compris la purification de l'eau et le dessalement, purification catalytique des gaz d'échappement industriels et automobiles, et le transport des minéraux réactifs et la biodégradation des cellules vivantes.

Ce travail se rapporte bien à la recherche de carrière d'Alkire dans l'amélioration de la conception en ingénierie grâce à des simulations à plusieurs échelles. "L'objectif primordial de ce volume spécial est de répondre au besoin de nouvelles méthodes d'ingénierie, portée par des découvertes remarquables à l'échelle des molécules, ainsi que la croissance rapide des archives de données massives. L'accent est mis sur le développement de nouvelles méthodes de conception pour lier le comportement à l'échelle moléculaire avec les procédures de conception d'ingénierie électrochimique traditionnelles à l'échelle macroscopique. L'objectif est d'intégrer le contrôle qualité à l'échelle moléculaire dans des produits et des processus bien conçus, " a déclaré Alkire à propos du numéro thématique publié en son honneur.