Các nhà nghiên cứu trình bày lý thuyết mới về sự đối lưu để hiểu được việc sạc pin nhanh
của Taylor Tucker, Đại học Illinois Trường Cao đẳng Kỹ thuật Grainger
Trừu tượng đồ họa. Tạp chí Nguồn điện (2023). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2023.232756
MechSE Phó Giáo sư Kyle Smith và nghiên cứu sinh tiến sĩ Md Abdul Hamid gần đây đã xuất bản một bài báo trên Tạp chí Nguồn điện.
Nghiên cứu của họ, "Lý thuyết đa quy mô, từ dưới lên cho sự vận chuyển khối lượng nhất thời của các loài hoạt tính oxi hóa khử thông qua các điện cực xốp vượt quá giới hạn ổn định giả", chứng minh rằng các phương pháp tiếp cận lý thuyết thông thường dự đoán thấp công suất của pin lưu lượng chẳng hạn như pin được sử dụng trong sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo.
“Chúng tôi đã phát hiện ra một phương tiện mới để hiểu cách thức đối lưu xảy ra bên trong môi trường xốp phản ứng,” Smith nói về lý thuyết của họ, đề xuất giới thiệu một số chức năng truyền phụ thuộc vào tần số để vận chuyển khối lượng lớn xảy ra trong các lỗ cực nhỏ của điện cực. Mặc dù các hàm truyền thường được sử dụng làm công cụ toán học trong lý thuyết điều khiển, nhưng trước đây chúng chưa từng được áp dụng trong ngữ cảnh này hoặc được suy ra theo cách này.
Cả hai bắt đầu xây dựng lý thuyết của mình trước khi bùng phát COVID-19, khiến cho ấn phẩm của họ thành công như mong đợi từ lâu. Lý thuyết của họ làm sáng tỏ các nguyên tắc truyền nhiệt và khối lượng quen thuộc—họ đưa ra một số Sherwood quang phổ, là một loại hàm truyền, để mở rộng định luật truyền khối của màng sang các điều kiện nhất thời. Tương tự, một số Nusselt quang phổ mở rộng định luật làm mát của Newton đối với sự truyền nhiệt đối lưu. Cả hai đã xây dựng công thức nhúng các hàm truyền vào một mô hình được mở rộng quy mô để thu được phản ứng trong miền thời gian của pin lưu lượng.
Smith cho biết: “Chúng tôi đã phát hiện ra một cách hiểu mới về một số tham số phi thứ nguyên phổ biến trong quá trình truyền nhiệt/khối lượng đối lưu. "Lần đầu tiên theo hiểu biết của chúng tôi, chúng tôi đã mở rộng những ý tưởng này từ ứng dụng thông thường của chúng ở trạng thái bất biến theo thời gian hoặc trạng thái ổn định, sang cài đặt nhất thời theo cách giải thích cho những thay đổi trong động lực học vi mô do chu kỳ nhất thời."
Nguồn: Trường Cao đẳng Kỹ thuật Grainger của Đại học Illinois
Công trình này cũng có ý nghĩa đối với các cộng đồng kỹ thuật hóa học, dân dụng và dầu khí, những cộng đồng đã khám phá các phương pháp để hiểu sự chuyển khối lượng trong các vật liệu xốp khác. Smith cho biết: “Cách tiếp cận của họ trước đây không được áp dụng cho các hệ thống điện hóa vốn là chủ đề nghiên cứu của chúng tôi. "Tuy nhiên, chúng tôi đã phát triển một cách tiếp cận tương đối đơn giản để lập mô hình các hiệu ứng này bằng cách sử dụng một công thức bắt đầu từ cấu trúc vi mô chi tiết và mở rộng quy mô các hiệu ứng của nó để sử dụng trong các mô hình quy mô vĩ mô."
Thật vậy, lý thuyết của nhóm chứng minh rằng pin lưu lượng có thể được vận hành ở mức cao hơn dòng điện giới hạn của chúng trong thời gian ngắn, điều này cho thấy rằng pin rẻ hơn và nhẹ hơn có thể được thiết kế cho các điều kiện chu kỳ này.
Hamid cho biết: “Những phát hiện này không chỉ cung cấp một cách tiếp cận mô hình hóa tốt hơn để dự đoán chính xác khả năng tốc độ của pin lưu lượng hiện có mà còn cung cấp các hướng dẫn về thiết kế, sơ đồ vận hành và vật liệu hiệu quả hơn”.
Smith và Hamid dự định áp dụng lý thuyết của họ vào các vi cấu trúc khác nhau cho các điện cực xốp cho các thiết bị năng lượng và môi trường khác nhau sử dụng điện hóa học. Các bước tiếp theo của họ cũng bao gồm việc mở rộng lý thuyết vượt ra ngoài phạm vi các điều kiện được trình bày trong ấn phẩm của họ.
