Ingeniero recibe premio NSF CAREER para mejorar el litio

Oct 26, 2023

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31 de mayo de 2023

UNIVERSITY PARK, Pa. — Las baterías de iones de litio alimentan la mayoría de los dispositivos electrónicos, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos, e incluso se utilizan para almacenar energía para alimentar hogares enteros. A nivel mundial, los analistas de marketing esperan que el mercado de baterías de iones de litio crezca de $ 65,9 mil millones en 2021 a $ 273,8 mil millones para 2030. Aunque el uso de baterías de iones de litio continúa expandiéndose a un ritmo rápido, no se sabe mucho sobre las fuerzas que gobiernan los procesos clave que impacto en el rendimiento.

Feifei Shi, profesora asistente en el Departamento de Ingeniería de Energía y Minerales de la familia John y Willie Leone, recibió un premio del Programa de Desarrollo de Carrera Temprana de la Facultad (CAREER) de $ 594,788 de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) para repensar los modelos electroquímicos fundamentales y potencialmente transformar cómo el litio -Las baterías de iones están diseñadas. El impacto podría verse en todas las aplicaciones electroquímicas que utilizan electrolitos líquidos, como baterías de flujo, celdas de combustible y supercondensadores cuyo uso abarca desde productos de consumo hasta almacenamiento de energía a escala de red.

Según Shi, la falta de una comprensión más profunda se debe, en parte, al descubrimiento de la doble capa electrónica (EDL), los fenómenos eléctricos que ocurren cuando un líquido y una superficie interactúan y provocan una capa superficial cargada eléctricamente. Los modelos iniciales creados a principios del siglo XX han sido un pilar en la electroquímica, pero no muchos investigadores los han examinado más a fondo hasta ahora.

"Aprender sobre la doble capa eléctrica es uno de los primeros modelos a los que está expuesto en una clase de electroquímica clásica, si no el primero", dijo Shi. "El modelo imagina iones ideales perfectamente esféricos, pero en realidad esa simplicidad no existe. Ya no podemos ignorar el tamaño, la forma o el espacio que ocupan los iones".

Shi trata con frecuencia con EDL en su investigación que explora las propiedades interfaciales, y encontrar iones como los que se muestran en el modelo no ha sido su experiencia. Explicó que los iones se ramifican y tienen ondas visibles en los electrolitos de las baterías. Además, en los solventes de sal orgánica, los microsistemas son más grandes, más dinámicos y tienen una gama más amplia de propiedades expectantes que en solventes simples como el agua. Shi cree que una imagen física más precisa de esas diferencias permitirá a los investigadores y desarrolladores de baterías comprender mejor la cinética interfacial en el rendimiento de la batería, dijo.

"Todo está diseñado en base a la EDL", dijo Shi. "Entonces, si su punto de partida no se entiende al 100%, ¿cómo puede saber por dónde empezar? Comprender un componente tan crucial es esencial para un diseño de batería mejor y más racional".

Muchos procesos que ocurren en la EDL impactan directamente en el rendimiento de la batería, dijo Shi, señalando su teléfono celular y observando cómo todos han experimentado los resultados del envejecimiento de la batería y cómo, con el tiempo, las baterías no retienen la carga por tanto tiempo o requieren más frecuencia. cargando Esta disminución de la potencia es el resultado de la corrosión o la acumulación en la capa de pasivación dentro de la interfaz, explicó. Eventualmente, la energía se consume y los electrolitos líquidos dentro de la batería se secan. La tasa de carga de una batería está determinada por los comportamientos cinéticos en la EDL que afectan la velocidad y la libertad con la que se transfieren los electrones, y cómo migran los iones entre la interfaz. Para los vehículos eléctricos (EV), eso significa que las principales prioridades de la mayoría de los compradores potenciales de automóviles eléctricos, como el rango de conducción y la velocidad de carga, se pueden mejorar con una mejor comprensión de EDL.

Como lo ve Shi, hay una urgencia en el trabajo, dijo. Le motiva cómo los avances en ciencias aplicadas e ingeniería superan los desarrollos en ciencias fundamentales. A menudo ve que se lanzan nuevos productos antes de que el conocimiento pueda acumularse a través de la experimentación y la comprensión fundamental. En el contexto de la fecha límite neta cero de 2050 en el Acuerdo de París, la necesidad de centrarse en los fundamentos es más importante, dijo Shi.

"Necesitamos un nuevo canon de comprensión", dijo Shi. "Ahora es el momento de que la investigación fundamental se ponga al día y empuje la frontera de nuestro conocimiento y, con suerte, inspire una nueva imagen o una nueva hipótesis que pueda ayudarnos a satisfacer las necesidades energéticas de nuestras sociedades de la manera más sostenible posible".

Inspirándose en un estudio de electrocapilaridad de la década de 1950, el equipo de Shi desarrolló nuevos métodos para explorar la EDL usando mercurio como electrodo. Shi describió al mercurio como un "elemento milagroso" por sus propiedades únicas que lo hacen asequible, fácil de observar y medir. El permite estudios repetidos para confirmar los resultados.

"Cuando comenzamos a revisar la literatura, mi estudiante de posgrado regresó y dijo que la mayor parte del trabajo es de las décadas de 1950 y 1970", dijo Shi. "Es intrigante pararse sobre los hombros de gigantes y combinar con nuestras computadoras avanzadas y formas más precisas de recopilar datos para aprovechar su trabajo innovador".

Shi dijo que está emocionada de que su investigación pueda inspirar a la próxima generación de científicos, ingenieros e investigadores de STEM a unirse para romper las barreras en termodinámica, química interfacial y electroquímica. Los intereses de investigación de Shi se encuentran en general en la intersección de la química de superficies, la ciencia de los materiales y la ingeniería mecánica, con énfasis en los sistemas de energía integrados, como los sistemas de catálisis, batería y energía nuclear.

Shi recibió un premio académico WiSTEM2D de Johnson & Johnson en 2022, que está diseñado para mujeres en la mitad de su carrera que trabajan en ciencia, tecnología, ingeniería, matemáticas, fabricación y diseño. En 2021, recibió una beca de investigación George H. Deike Jr. y en 2019 la beca para profesores Virginia S. y Philip L. Walker de la Facultad de Ciencias Minerales y de la Tierra. Es autora de 55 artículos y un capítulo de libro, y se ha desempeñado como editora invitada de las revistas Frontiers in Energy Research y Energy & Environmental Materials. Actualmente es miembro del consejo editorial de la revista Energy Materials.

Shi obtuvo su licenciatura en ciencias químicas de la Universidad de Fudan, China, en 2010, y su doctorado en ingeniería mecánica de la Universidad de California, Berkeley, en 2015. Antes de unirse a Penn State en 2019, Shi fue investigadora posdoctoral en la Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Stanford de 2016 a 2019.

Feifei Shi, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Energética y Mineral de la Familia John y Willie Leone. Crédito: Penn State. comunes creativos

patricia craig

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