Проточные батареи являются одним из рассматриваемых методов хранения периодически используемых источников возобновляемой электроэнергии, таких как энергия солнца и ветра. Они могут накапливать большое количество энергии, сохраняя химический потенциал в жидкой форме с помощью двух электролитов, которые протекают через пористые электроды для зарядки и разрядки. Металлический церий может накапливать энергию при относительно высоком напряжении, что означает больше энергии на ион металла, и при низких затратах.

Одна из проблем, связанных с церием, заключается в том, чтобы выяснить, как обеспечить эффективную передачу электрических зарядов к электроду и от него. На своем пути через положительный электрод церий либо захватывает, либо отбрасывает электрон, в зависимости от того, заряжается батарея или разряжается.

Однако церий в сернокислотном электролите не захватывает и не отдает электрон так быстро, как ожидалось, а это означает, что энергия тратится впустую. Оказалось, что молекулы воды и молекулы сульфата совершали сложный танец вокруг церия, и именно так терялась энергия.

"Благодаря этому исследованию мы лучше понимаем, как ведут себя ионы церия в кислых электролитах во время переноса заряда", - сказала Кейлин Бьюкенен, недавняя докторантка Калифорнийского университета в области химической инженерии и первый автор статьи в журнале Жакс Ау.

"Это понимание поможет нам и будущим исследователям разработать более эффективные батареи на основе церия, которые имеют меньшую потерю напряжения во время зарядки и разрядки".

Команда внимательно изучила, что происходит, когда церий захватывает и выбрасывает электроны, используя поглощение рентгеновских лучей, чтобы следить за связями и ассоциациями между церием, сульфатами и водой. Эти эксперименты проводились в Аргоннской национальной лаборатории. Они выполнили эти измерения с помощью компьютерного моделирования под руководством Брайана Голдсмита, доцента кафедры химической инженерии Доу Корнинга в Калифорнийском университете.

"Мы обнаружили, что когда церию не хватает трех электронов, он окружен только молекулами воды, в то время как когда он отдает этот четвертый электрон, сульфатные или бисульфатные ионы висят на ионе церия", - сказала Нирала Сингх, доцент кафедры химической инженерии U-M и автор-корреспондент исследования, который руководил экспериментом.

"В результате этого, когда мы окисляем церий, забирая этот электрон, или восстанавливаем его, отдавая электрон обратно, должен произойти как перенос электрона, так и перестройка молекул вокруг него".

Поняв энергию, связанную с этой структурной перестройкой, исследователи смогли объяснить, почему реакция асимметрична, когда окисление и восстановление ведут себя по-разному. Из-за этого простой теории для прогнозирования скоростей переноса электронов, известной как теория Маркуса, недостаточно. Вместо этого команда обнаружила, что можно использовать теорию Маркуса, чтобы вычислить элемент переноса электронов, а затем добавить эффекты перегруппировки в двухэтапном процессе.

"Неравномерное комплексообразование между окисленной и восстановленной формами церия приводит к замедлению скорости реакции, и это знание послужит основой для разработки стратегий электролита для цериевых или других подобных проточных батарей", - сказал Сингх.

Используя двухэтапный метод команды, исследователи смогут идентифицировать электролиты, которые имеют быструю скорость реакции, обеспечивая высокую эффективность. В конечном счете, цель состоит в том, чтобы использовать электролиты, которые не будут накапливать разное количество энергии в комплексах вокруг окисленного или восстановленного иона церия.

В дополнение к открытию новых возможностей для хранения энергии в масштабах сети, это открытие может улучшить другие химические процессы, в которых используется церий, такие как производство продуктов на основе углерода и обеззараживание сточных вод.

Исследование проводится при поддержке Мичиганского университета и стипендиальной программы Dow по устойчивому развитию. Электроды для получения ионов церия были предоставлены компанией De Nora.

Вычислительные ресурсы были предоставлены Национальным научно-вычислительным центром энергетических исследований Министерства энергетики и средой экстремальных научных и инженерных открытий Национального научного фонда.