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孔隙尺度传输理论助液流电池突破

氧化还原液流电池是一种用于电化学能量存储的新兴技术,可以帮助增强可再生能源发电的利用率。这些电源本质上是不规则的供应,通常与电网需求不符。原则上,氧化还原液流电池可设计为具有与其额定功率无关的储能容量。氧化还原活性分子很容易就流动到电极表面,这在确定氧化还原活性分子效率,生成和充电电量以及电池寿命方面起着重要的作用。

在一篇新论文中,伊利诺伊大学工程学院助理教授凯尔·史密斯(Kyle Smith)用新理论应对了这些挑战,以预测流体流动如何影响液流电池中的分子在多孔电极表面反应的能力。

Smith和他的博士生在研究中提出理论,即微观尺度的反应速率与电极材料的微观结构有关。他的模型结果使他能够预测在所谓的瞬态条件下分子的运输过程,瞬态条件是电池电解质中氧化还原活性分子的浓度随时间变化。 “我们证明了这些条件与氧化还原液流电池的运行非常相关,氧化还原液流电池会经历动态充电和放电过程,其中电解质成分会随时间变化。这与早期的研究相反,早期的研究主要是在稳态的情况下(在时间上是恒定的)考虑了这种影响,”史密斯说。“我们引入的理论使得能够基于电极内部的微观孔隙结构来预测传质系数,电解质在其中的电极被充放电。拥有这种功能使我们能够设计应如何设计此类结构,换句话说,就是如何对其进行设计。”

Smith的发现影响了许多重要的工程应用,在这些应用中,孔尺度的传输很重要,包括水的净化和脱盐,工业和车辆尾气的催化净化,反应性矿物质的传输以及活细胞的生物降解。

这项工作与Alkire通过多尺度仿真改善工程设计的职业研究紧密相关。“这本专刊的总体目标是解决新工程方法的需求,这是由于分子规模的显着发现以及海量数据档案的快速增长所推动的。重点是开发新的设计方法,以将分子尺度的行为与宏观尺度上的传统电化学工程设计程序联系起来。目的是在分子水平上将质量控制嵌入精心设计的产品和过程中。”

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