リチウムの改良でエンジニアがNSF CAREER賞を受賞

Oct 10, 2023

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2023 年 5 月 31 日

ペンシルベニア州ユニバーシティパーク — リチウムイオン電池は、スマートフォンから電気自動車に至るまで、ほとんどの電子機器に電力を供給し、家全体に電力を供給するためのエネルギーの貯蔵にも使用されています。 世界的に、マーケティングアナリストは、リチウムイオン電池市場が2021年の659億ドルから2030年までに2,738億ドルに成長すると予想しています。リチウムイオン電池の使用は急速に拡大し続けていますが、重要なプロセスを支配する力についてはあまり知られていません。インパクトのあるパフォーマンス。

ジョン＆ウィリー・レオーネ・ファミリーエネルギー鉱物工学科の助教授であるフェイフェイ・シー氏は、基礎的な電気化学モデルを再考し、リチウムの製造方法を変革する可能性があるとして、国立科学財団（NSF）から59万4,788ドルの教員早期キャリア開発プログラム（CAREER）賞を受賞した。 -イオン電池が設計されています。 この影響は、フロー電池、燃料電池、スーパーキャパシタなど、液体電解質を使用するすべての電気化学用途で見られ、その用途は消費者向け製品からグリッドスケールのエネルギー貯蔵まで多岐にわたります。

Shi氏によると、より深い理解が欠けている原因の一部は、液体と表面が相互作用して帯電した表面層を引き起こすときに発生する電気現象である電子二重層（EDL）の発見にあるという。 1900 年代初頭に作成された初期モデルは電気化学の主流となってきましたが、これまでそれらを詳しく調べた研究者は多くありませんでした。

「電気二重層について学ぶことは、最初ではないにしても、古典的な電気化学の授業で最初に触れる数少ないモデルの 1 つです」と Shi 氏は言います。 「モデルは完全な球形の理想的なイオンを想像していますが、実際にはその単純さは存在しません。イオンが占めるサイズ、形状、空間をもはや無視することはできません。」

Shi 氏は界面特性を探る研究で EDL を頻繁に扱いますが、モデルに描かれているようなイオンを見つけることは彼女の経験がありませんでした。 彼女は、イオンが枝分かれし、バッテリー電解液に目に見える波紋が現れると説明しました。 また、有機塩溶媒では、水のような単純な溶媒よりもマイクロシステムが大きく、より動的で、期待される特性の範囲が広くなります。 Shi氏は、これらの違いをより正確に物理的に把握することで、電池の研究者や開発者が電池の性能における界面反応速度をより深く理解できるようになると信じていると述べた。

「すべては EDL に基づいて設計されています」と Shi 氏は言います。 「では、出発点が 100% 理解されていない場合、どこから始めるべきかをどうやって知ることができるのでしょうか? このような重要なコンポーネントを理解することは、より優れた、より合理的なバッテリー設計に不可欠です。」

EDL で発生する多くのプロセスがバッテリーのパフォーマンスに直接影響を与えると Shi 氏は述べ、携帯電話を指差しながら、バッテリーの劣化による結果を誰もが経験していること、時間の経過とともにバッテリーの充電が長く続かなくなったり、より頻繁に充電が必要になったりすることを指摘しました。充電。 この電力の減衰は、界面内のパッシベーション層の腐食または蓄積の結果であると彼女は説明しました。 最終的には電力が消耗され、バッテリー内の液体電解質が枯渇します。 バッテリーの充電速度は、電子の移動速度と自由度、およびイオンが界面間を移動する方法に影響を与える EDL の運動挙動によって決まります。 電気自動車 (EV) の場合、これは、EDL をより深く理解することで、電気自動車を購入する可能性のあるほとんどのユーザーの最優先事項である航続可能距離や充電速度を改善できることを意味します。

Shi 氏の見解では、この仕事には緊急性があると彼女は言いました。 彼女は、応用科学と工学の進歩が基礎科学の発展をいかに上回るかに動機づけられています。 彼女は、実験や基本的な理解を通じて知識が蓄積される前に新製品がリリースされるのをよく目にします。 石氏は、パリ協定のネットゼロ期限の2050年を背景に、ファンダメンタルズに焦点を当てる必要性がより重要だと述べた。

「我々には新たな理解の規範が必要だ」とシー氏は語った。 「今こそ、基礎研究が私たちの知識の最前線に追いつき、押し上げる時期であり、できる限り持続可能な方法で社会のエネルギー需要を満たすのに役立つ新しい全体像や新しい仮説を生み出すことができればと願っています。」

1950 年代の電気毛細管現象の研究に触発されて、Shi 氏のチームは、水銀を電極として使用して EDL を探索する新しい方法を開発しました。 Shi 氏は、水銀を、手頃な価格で観察と測定が容易にするそのユニークな特性から「奇跡の元素」と表現しました。 これにより、結果を確認するために繰り返し研究が可能になります。

「私たちが文献を調べ始めたとき、私の大学院生が戻ってきて、研究のほとんどは1950年代から1970年代のものだと言いました」とシー氏は語った。 「巨人たちの肩の上に立って、私たちの先進的なコンピューターと、彼らの画期的な研究を基礎とするデータを収集するより正確な方法を統合することは興味深いことです。」

Shi 氏は、彼女の研究が、次世代の STEM 科学者、エンジニア、研究者に、熱力学、界面化学、電気化学の障壁を打ち破るために団結するきっかけを与えるかもしれないことに興奮していると述べました。 Shi 氏の研究対象は、表面化学、材料科学、機械工学の交差点に広くあり、触媒、電池、原子力エネルギー システムなどの統合エネルギー システムに重点を置いています。

Shi 氏は、2022 年にジョンソン・エンド・ジョンソンから WiSTEM2D Scholar Award を受賞しました。この賞は、科学、テクノロジー、エンジニアリング、数学、製造、デザインで働く中堅女性を対象としています。 2021 年に彼女はジョージ H. ダイク ジュニア研究助成金を受賞し、2019 年には地球鉱物科学大学からバージニア S. およびフィリップ L. ウォーカー教員フェローシップを受賞しました。 彼女は 55 の記事と書籍の 1 章の著者であり、ジャーナル「Frontiers in Energy Research」および「Energy & Environmental Materials」のゲスト編集者を務めてきました。 彼女は現在、Energy Materials 誌の編集委員を務めています。

Shi は、2010 年に中国の復旦大学で化学の理学士号を取得し、2015 年にカリフォルニア大学バークレー校で機械工学の博士号を取得しました。2019 年にペンシルベニア州立大学に入社する前は、材料分野の博士研究員でした。 2016年から2019年までスタンフォード大学理工学部に在籍。

フェイフェイ・シー、ジョン＆ウィリー・レオーネ・ファミリーエネルギー鉱物工学科助教授。 クレジット: ペンシルバニア州立大学クリエイティブ・コモンズ

パトリシア・クレイグ

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