Графическая абстракция.
Фото: Материя (2023). DOI: 10.1016/j.matt.2023.08.017

Доктор Джоди Луткенхаус, заместитель руководителя отдела внутреннего взаимодействия и профессор химической инженерии, сотрудничала с доктором Димитрисом Лагудасом, профессором аэрокосмической техники, и доктором Джеймсом Бойдом, доцентом аэрокосмической техники, в новой статье, опубликованной в Matter.

«Мы измерили напряжения, возникающие в электродах суперконденсатора на основе графена, и соотнесли эти напряжения с тем, как ионы входят и выходят из материала», — сказал Луткенхаус. «Например, когда конденсатор включен, каждый электрод накапливает и выделяет ионы, которые могут вызвать его набухание и сжатие».

Луткенхаус сказал, что это повторяющееся движение может вызвать накопление механических напряжений , что приведет к выходу устройства из строя. Чтобы бороться с этим, ее исследование направлено на создание инструмента, который измеряет механические напряжения и деформации в материалах, аккумулирующих энергию, во время их зарядки и разрядки.

Этот прибор позволяет получить представление об измерении механического поведения во время зарядки и разрядки электрода, которое может быть сложно наблюдать в режиме реального времени.

«Мы являемся пионерами экспериментальных методов измерения одновременного электрохимического и механического отклика электродов», — сказал Бойд. «Наши исследования сейчас переходят от суперконденсаторов к батареям».

Механические повреждения ограничивают срок службы батарей, поэтому необходимо новое оборудование и модели для интерпретации экспериментальных измерений и разделения эффектов диффузии массы, реакций, неупругой деформации и механического повреждения.

Батареи и конденсаторы могут выйти из строя из-за различных внутренних и внешних механических напряжений. Внутренние напряжения возникают, когда батареи подвергают устройство повторяющемуся циклическому воздействию, тогда как внешние напряжения могут возникнуть в результате удара или проникновения устройства.

Когда происходят такие нагрузки, аккумулятор должен быть в состоянии противостоять повреждению. Луткенхаус сказал, что важно понять, как развивается механическое напряжение в электрохимическом состоянии устройства.

«Мы разработали инструмент, который может сделать именно это», — сказал Луткенхаус. «Получив это важное понимание, мы сможем разработать более безопасные устройства хранения энергии, которые прослужат дольше».

Исследование направлено на разработку устройств хранения энергии, которые смогут выдерживать структурные нагрузки и в конечном итоге заменить пластики, армированные углеродным волокном, которые действуют как структурные панели в самолетах, тем самым повышая энергоэффективность.

«Эта статья является результатом постоянного сотрудничества ученых-химиков и ученых аэрокосмической техники», — сказал Лагудас. «Это исследование дает уникальное понимание того, как наноматериалы могут быть использованы для создания легких и мощных устройств хранения энергии для аэрокосмических применений».