As baterias de fluxo Redox são uma tecnologia emergente para armazenamento de energia eletroquímica que pode ajudar a aumentar o uso da energia produzida por recursos de energia renovável. Esses recursos de energia são inerentemente irregulares em seu fornecimento, que normalmente não se alinha com a demanda na rede elétrica. Em princípio, As baterias de fluxo redox podem ser projetadas para ter uma capacidade de armazenamento de energia independente de sua classificação de energia. Contudo, na prática, a facilidade com que as moléculas redox-ativas são transportadas para as superfícies dos eletrodos desempenha um papel importante na determinação de sua eficiência, a energia que é produzida ou carregada e, em alguns casos, sua duração de vida.

Em um novo jornal, O professor assistente Kyle Smith abordou esses desafios com uma nova teoria para prever como o fluxo de fluido afeta a capacidade das moléculas em uma bateria de fluxo de reagir nas superfícies dos eletrodos porosos. "Modelando os efeitos transitórios da convecção em escala de poros e reações redox no limite pseudoestável" foi publicado em uma edição de foco da Journal of the Electrochemical Society em homenagem a Richard C. Alkire de Illinois, o Charles J. e Dorothy G. Prizer Presidente Emérito do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, ex-vice-chanceler de pesquisa, e ex-Reitor do Graduate College. Alkire é conhecido mundialmente por sua experiência em deposição de metal e simulações em várias escalas de escalas atômicas para processamento.

Smith e seu Ph.D. O aluno teorizou na pesquisa que as taxas de reação em escalas microscópicas eram relevantes para a estrutura microscópica subjacente do material do eletrodo. Os resultados de seu modelo permitiram-lhe prever como o transporte molecular ocorre sob as chamadas condições transitórias, onde as concentrações de moléculas ativas redox no eletrólito da bateria mudam com o tempo.

"Mostramos que essas condições são particularmente relevantes para a operação de baterias de fluxo redox, que experimentam processos dinâmicos de carga e descarga nos quais a composição do eletrólito muda com o tempo. Isso foi em contraste com trabalhos anteriores que consideraram tais efeitos principalmente a partir de um contexto de estado estacionário, onde a composição é constante no tempo, "disse Smith." A teoria que introduzimos permite a previsão dos coeficientes de transferência de massa com base na estrutura microscópica dos poros dentro dos eletrodos onde os eletrólitos são carregados e descarregados. Ter esses recursos nos permite projetar como essas estruturas devem ser projetadas - em outras palavras, como projetá-los. "

A descoberta de Smith impacta várias aplicações de engenharia onde o transporte em escala de poros é importante, incluindo purificação e dessalinização de água, purificação catalítica de exaustão industrial e de veículos, e transporte de minerais reativos e biodegradação de células vivas.

Este trabalho se relaciona bem com a pesquisa da carreira de Alkire na melhoria do design em engenharia por meio de simulações em várias escalas. "O objetivo geral deste volume especial é atender à necessidade de novos métodos de engenharia, impulsionado por descobertas notáveis ​​na escala das moléculas, bem como o rápido crescimento em enormes arquivos de dados. O foco está no desenvolvimento de novos métodos de projeto para vincular o comportamento em escala molecular com procedimentos de projeto de engenharia eletroquímica tradicionais em escala macroscópica. O objetivo é incorporar o controle de qualidade em escala molecular em produtos e processos bem projetados, "disse Alkire sobre a questão-foco publicada em sua homenagem.