Un ingénieur reçoit le prix NSF CAREER pour améliorer le lithium

Oct 10, 2023

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31 mai 2023

UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie - Les batteries lithium-ion alimentent la plupart des appareils électroniques, des smartphones aux véhicules électriques, et sont même utilisées pour stocker de l'énergie pour alimenter des maisons entières. À l'échelle mondiale, les analystes marketing s'attendent à ce que le marché des batteries lithium-ion passe de 65,9 milliards de dollars en 2021 à 273,8 milliards de dollars d'ici 2030. Bien que l'utilisation des batteries lithium-ion continue de se développer à un rythme rapide, on ne sait pas grand-chose des forces qui régissent les processus clés qui impacter les performances.

Feifei Shi, professeur adjoint au département de génie énergétique et minéral de la famille John et Willie Leone, a reçu un prix de 594 788 $ du programme de développement de carrière en début de carrière (CAREER) de la National Science Foundation (NSF) pour repenser les modèles électrochimiques fondamentaux et potentiellement transformer la façon dont le lithium -les batteries ioniques sont conçues. L'impact pourrait être observé dans toutes les applications électrochimiques qui utilisent des électrolytes liquides, telles que les batteries à flux, les piles à combustible et les supercondensateurs dont l'utilisation s'étend des produits de consommation au stockage d'énergie à l'échelle du réseau.

Selon Shi, le manque de compréhension plus approfondie découle, en partie, de la découverte de la double couche électronique (EDL), les phénomènes électriques qui se produisent lorsqu'un liquide et une surface interagissent, provoquant une couche de surface chargée électriquement. Les modèles initiaux créés au début des années 1900 ont été un pilier de l'électrochimie, mais peu de chercheurs les ont approfondis jusqu'à présent.

"L'apprentissage de la double couche électrique est l'un des premiers modèles auxquels vous êtes exposé dans un cours d'électrochimie classique, sinon le tout premier", a déclaré Shi. "Le modèle imagine des ions parfaitement sphériques, idéaux, mais en réalité, cette simplicité n'existe pas. Nous ne pouvons plus ignorer la taille, la forme ou l'espace qu'occupent les ions."

Shi traite fréquemment de l'EDL dans ses recherches explorant les propriétés interfaciales, et trouver des ions comme ceux représentés dans le modèle n'a pas été son expérience. Elle a expliqué que les ions se ramifient et ont des ondulations visibles dans les électrolytes de la batterie. De plus, dans les solvants salins organiques, les microsystèmes sont plus gros, plus dynamiques et ont une gamme de propriétés attendues plus large que dans des solvants simples comme l'eau. Shi pense qu'une image physique plus précise de ces différences permettra aux chercheurs et aux développeurs de batteries de mieux comprendre la cinétique interfaciale des performances de la batterie, a-t-elle déclaré.

"Tout est conçu sur la base de l'EDL", a déclaré Shi. "Donc, si votre point de départ n'est pas compris à 100 %, comment pouvez-vous même savoir par où commencer ? Comprendre un composant aussi crucial est essentiel pour une conception de batterie meilleure et plus rationnelle."

De nombreux processus qui se produisent dans l'EDL ont un impact direct sur les performances de la batterie, a déclaré Shi, pointant son téléphone portable et notant comment tout le monde a connu les résultats d'une batterie vieillissante, et comment au fil du temps les batteries ne tiennent pas une charge aussi longtemps ou nécessitent plus de fréquence. mise en charge. Cette baisse de puissance est le résultat de la corrosion ou de l'accumulation sur la couche de passivation à l'intérieur de l'interface, a-t-elle expliqué. Finalement, l'énergie est consommée et les électrolytes liquides à l'intérieur de la batterie s'assèchent. La vitesse de charge d'une batterie est déterminée par les comportements cinétiques de l'EDL qui affectent la vitesse et la liberté de transfert des électrons et la manière dont les ions migrent entre l'interface. Pour les véhicules électriques (VE), cela signifie que les principales priorités de la plupart des acheteurs potentiels de voitures électriques, telles que l'autonomie et la vitesse de charge, peuvent être améliorées grâce à une meilleure compréhension de l'EDL.

Selon Shi, le travail est urgent, a-t-elle déclaré. Elle est motivée par la façon dont les progrès de la science appliquée et de l'ingénierie dépassent les développements de la science fondamentale. Elle voit souvent de nouveaux produits sortir avant que les connaissances puissent s'accumuler grâce à l'expérimentation et à la compréhension fondamentale. Dans le contexte de l'échéance de zéro net de 2050 dans l'Accord de Paris, la nécessité de se concentrer sur les fondamentaux est plus importante, a déclaré Shi.

"Nous avons besoin d'un nouveau canon de compréhension", a déclaré Shi. "Le moment est venu pour la recherche fondamentale de rattraper son retard et de repousser les limites de nos connaissances, et, espérons-le, d'inspirer une nouvelle image ou une nouvelle hypothèse qui pourra nous aider à répondre aux besoins énergétiques de nos sociétés de la manière la plus durable possible."

Inspirée par une étude d'électrocapillarité des années 1950, l'équipe de Shi a développé de nouvelles méthodes pour explorer l'EDL en utilisant le mercure comme électrode. Shi a décrit le mercure comme un "élément miracle" pour ses propriétés uniques qui le rendent abordable, facile à observer et à mesurer. Cela permet des études répétées pour confirmer les résultats.

"Lorsque nous avons commencé à parcourir la littérature, mon étudiant diplômé est revenu et a dit que la plupart des travaux dataient des années 1950-1970", a déclaré Shi. "Il est fascinant de se tenir sur les épaules de géants et de rassembler nos ordinateurs avancés et des moyens plus précis de collecter des données pour s'appuyer sur leur travail révolutionnaire."

Shi a déclaré qu'elle était ravie que ses recherches puissent inspirer la prochaine génération de scientifiques, d'ingénieurs et de chercheurs STEM à se réunir pour faire tomber les barrières de la thermodynamique, de la chimie interfaciale et de l'électrochimie. Les intérêts de recherche de Shi se situent globalement à l'intersection de la chimie des surfaces, de la science des matériaux et du génie mécanique, en mettant l'accent sur les systèmes énergétiques intégrés, tels que la catalyse, les batteries et les systèmes d'énergie nucléaire.

Shi a reçu un WiSTEM2D Scholar Award de Johnson & Johnson en 2022, qui est conçu pour les femmes à mi-carrière travaillant dans les sciences, la technologie, l'ingénierie, les mathématiques, la fabrication et la conception. En 2021, elle a reçu une bourse de recherche George H. Deike Jr. et en 2019 la bourse de recherche Virginia S. et Philip L. Walker du College of Earth and Mineral Sciences. Elle est l'auteur de 55 articles et d'un chapitre de livre, et a été rédactrice invitée pour les revues Frontiers in Energy Research et Energy & Environmental Materials. Elle siège actuellement au comité de rédaction de la revue Energy Materials.

Shi a obtenu son baccalauréat ès sciences en chimie de l'Université Fudan, en Chine, en 2010, et son doctorat en génie mécanique de l'Université de Californie, Berkeley, en 2015. Avant de rejoindre Penn State en 2019, Shi était chercheuse postdoctorale dans le domaine des matériaux. Département des sciences et de l'ingénierie à l'Université de Stanford de 2016 à 2019.

Feifei Shi, professeur adjoint au département de génie énergétique et minéral de la famille John et Willie Leone. Crédit : Penn State. Creative Commons

Patricia Craig

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