Ingenieur erhält NSF CAREER Award für die Verbesserung von Lithium

May 15, 2023

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31. Mai 2023

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Lithium-Ionen-Batterien versorgen die meisten elektronischen Geräte, von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen, und werden sogar zum Speichern von Energie für die Stromversorgung ganzer Häuser verwendet. Weltweit gehen Marketinganalysten davon aus, dass der Markt für Lithium-Ionen-Batterien von 65,9 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 273,8 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 wachsen wird. Obwohl der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien weiterhin rasant zunimmt, ist nicht viel über die Kräfte bekannt, die die Schlüsselprozesse steuern Schlagleistung.

Feifei Shi, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Energie- und Mineraltechnik der Familie John und Willie Leone, erhielt von der National Science Foundation (NSF) einen Preis im Rahmen des Faculty Early Career Development Program (CAREER) in Höhe von 594.788 US-Dollar, um grundlegende elektrochemische Modelle zu überdenken und möglicherweise die Funktionsweise von Lithium zu verändern -Ionen-Batterien sind konzipiert. Die Auswirkungen waren in allen elektrochemischen Anwendungen zu beobachten, die flüssige Elektrolyte verwenden, wie etwa Durchflussbatterien, Brennstoffzellen und Superkondensatoren, deren Einsatz von Verbraucherprodukten bis hin zur Energiespeicherung im Netzmaßstab reicht.

Laut Shi ist das Fehlen eines tiefergehenden Verständnisses teilweise auf die Entdeckung der elektronischen Doppelschicht (EDL) zurückzuführen, den elektrischen Phänomenen, die auftreten, wenn eine Flüssigkeit und eine Oberfläche interagieren und eine elektrisch geladene Oberflächenschicht verursachen. Die ersten Modelle, die im frühen 20. Jahrhundert erstellt wurden, waren ein Grundpfeiler der Elektrochemie, aber bis jetzt haben sich nicht viele Forscher näher mit ihnen befasst.

„Das Erlernen der elektrischen Doppelschicht ist eines der ersten Modelle, mit denen man in einem klassischen Elektrochemieunterricht konfrontiert wird, wenn nicht das allererste“, sagte Shi. „Das Modell stellt sich perfekt kugelförmige, ideale Ionen vor, aber in Wirklichkeit gibt es diese Einfachheit nicht. Wir können die Größe, die Form oder den Raum, den Ionen einnehmen, nicht mehr ignorieren.“

Shi beschäftigt sich bei ihrer Forschung zur Erforschung von Grenzflächeneigenschaften häufig mit EDL, und das Finden von Ionen wie den im Modell dargestellten war nicht ihre Erfahrung. Sie erklärte, dass sich Ionen verzweigen und im Batterieelektrolyten sichtbare Wellen bilden. Außerdem sind die Mikrosysteme in organischen Salzlösungsmitteln größer, dynamischer und weisen ein breiteres Spektrum erwarteter Eigenschaften auf als in einfachen Lösungsmitteln wie Wasser. Shi glaubt, dass ein genaueres physikalisches Bild dieser Unterschiede es Batterieforschern und -entwicklern ermöglichen wird, die Grenzflächenkinetik der Batterieleistung besser zu verstehen, sagte sie.

„Alles ist auf der Grundlage des EDL konzipiert“, sagte Shi. „Wenn Sie also Ihren Ausgangspunkt nicht zu 100 % verstehen, wie können Sie dann überhaupt wissen, wo Sie anfangen sollen? Das Verständnis einer so entscheidenden Komponente ist für ein besseres und rationelleres Batteriedesign unerlässlich.“

Viele Prozesse, die im EDL ablaufen, wirken sich direkt auf die Akkuleistung aus, sagte Shi, zeigte auf ihr Mobiltelefon und bemerkte, dass jeder die Folgen eines alternden Akkus erlebt habe und dass Akkus mit der Zeit nicht mehr so ​​lange aufgeladen werden müssten oder häufiger geladen werden müssten Aufladen. Dieser Leistungsabfall sei das Ergebnis von Korrosion oder Ablagerungen auf der Passivierungsschicht innerhalb der Grenzfläche, erklärte sie. Schließlich wird Strom verbraucht und die flüssigen Elektrolyte in der Batterie trocknen aus. Die Ladegeschwindigkeit einer Batterie wird durch das kinetische Verhalten im EDL bestimmt, das sich darauf auswirkt, wie schnell und frei Elektronen übertragen werden und wie Ionen zwischen den Grenzflächen wandern. Für Elektrofahrzeuge (EVs) bedeutet das, dass die obersten Prioritäten der meisten potenziellen Käufer von Elektroautos wie Reichweite und Ladegeschwindigkeit durch ein besseres Verständnis des EDL verbessert werden können.

Aus Sicht von Shi besteht bei der Arbeit eine Dringlichkeit, sagte sie. Ihre Motivation ist, dass die Fortschritte in der angewandten Wissenschaft und im Ingenieurwesen die Entwicklungen in der Grundlagenwissenschaft übertreffen. Sie sieht oft, wie neue Produkte auf den Markt kommen, bevor sich durch Experimente und grundlegendes Verständnis Wissen ansammeln kann. Vor dem Hintergrund der im Pariser Abkommen festgelegten Netto-Null-Frist bis 2050 sei die Notwendigkeit, sich auf die Grundlagen zu konzentrieren, wichtiger, sagte Shi.

„Wir brauchen einen neuen Kanon des Verständnisses“, sagte Shi. „Jetzt ist es an der Zeit, dass die Grundlagenforschung aufholt und die Grenzen unseres Wissens erweitert und hoffentlich zu einem neuen Bild oder einer neuen Hypothese inspiriert, die uns dabei helfen kann, den Energiebedarf unserer Gesellschaft auf möglichst nachhaltige Weise zu decken.“

Inspiriert durch eine Elektrokapillaritätsstudie aus den 1950er Jahren entwickelte Shis Team neue Methoden zur Erforschung der EDL unter Verwendung von Quecksilber als Elektrode. Shi beschrieb Quecksilber aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, die es erschwinglich, leicht zu beobachten und zu messen machen, als „Wunderelement“. Dies ermöglicht wiederholte Studien zur Bestätigung der Ergebnisse.

„Als wir anfingen, die Literatur zu durchsuchen, kam mein Doktorand zurück und sagte, dass die meisten Arbeiten aus den 1950er bis 1970er Jahren stammten“, sagte Shi. „Es ist faszinierend, auf den Schultern von Giganten zu stehen und mit unseren fortschrittlichen Computern und genaueren Methoden zur Datenerfassung zusammenzuarbeiten, um auf ihrer bahnbrechenden Arbeit aufzubauen.“

Shi sagte, sie freue sich, dass ihre Forschung die nächste Generation von MINT-Wissenschaftlern, Ingenieuren und Forschern dazu inspirieren könnte, zusammenzukommen, um Barrieren in der Thermodynamik, Grenzflächenchemie und Elektrochemie abzubauen. Shis Forschungsinteressen liegen im Großen und Ganzen an der Schnittstelle von Oberflächenchemie, Materialwissenschaft und Maschinenbau, mit Schwerpunkt auf integrierten Energiesystemen wie Katalyse, Batterie- und Kernenergiesystemen.

Shi erhielt 2022 einen WiSTEM2D Scholar Award von Johnson & Johnson, der sich an Frauen in der Mitte ihrer Karriere richtet, die in den Bereichen Wissenschaft, Technologie, Ingenieurwesen, Mathematik, Fertigung und Design arbeiten. Im Jahr 2021 erhielt sie ein George H. Deike Jr. Research Grant und im Jahr 2019 das Virginia S. and Philip L. Walker Faculty Fellowship des College of Earth and Mineral Sciences. Sie ist Autorin von 55 Artikeln und einem Buchkapitel und war Gastredakteurin für die Zeitschriften Frontiers in Energy Research und Energy & Environmental Materials. Derzeit ist sie Redaktionsmitglied der Zeitschrift Energy Materials.

Shi erwarb 2010 ihren Bachelor of Science in Chemie an der Fudan-Universität in China und promovierte 2015 in Maschinenbau an der University of California in Berkeley. Bevor sie 2019 an die Penn State wechselte, war Shi Postdoktorandin im Bereich Materialien Fakultät für Naturwissenschaften und Technik an der Stanford University von 2016 bis 2019.

Feifei Shi, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Energie- und Mineraltechnik der Familie John und Willie Leone. Bildnachweis: Penn State. Creative Commons

Patricia Craig

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