Blauwe energie, de gratis energie die verloren gaat wanneer zout zeewater en minder zout rivierwater elkaar ontmoeten en zich vermengen in estuaria, zou in de toekomst een belangrijke bron van wereldwijde elektriciteit kunnen worden. Capacitieve menging, een opkomende techniek die gebruikmaakt van de laad-ontlaadcyclus van condensatoren, kan worden gebruikt om deze energie te oogsten, maar het optimaliseren van de hier gebruikte apparaten was geen gemakkelijke taak. Onderzoekers in Frankrijk hebben nu aangetoond dat moleculaire simulaties realistisch de capaciteit kunnen voorspellen van apparaten die nanoporeuze koolstofmaterialen bevatten als elektroden en zout water als elektrolyt. In omgekeerde richting is deze techniek ook een efficiënte manier om water te ontzilten in een proces dat capacitieve deïonisatie wordt genoemd.

Bij zowel capacitieve menging (CapMix) als capacitieve deïonisatie (CDI) hebben elektroden gemaakt van nanoporeuze koolstof een groter contactoppervlak met de elektrolyt, waardoor de specifieke capaciteit van het apparaat wordt verhoogd. Onderzoekers ontdekten eerder dat de capaciteit van supercondensatoren (ook bekend als elektrische dubbellaagse condensatoren of EDLC's) onverwacht toeneemt wanneer de poriegrootte van van carbide afgeleide koolstof (CDC) elektroden die in deze energieopslagapparaten worden gebruikt, afneemt tot de grootte van elektrolytionen. Het probleem is dat deze apparaten zich niet gedragen zoals modellen suggereren wanneer de grootte van de poriën in het materiaal deze grootte bereikt.

Moleculaire schaalbeschrijving:

"Ons uitgangspunt is een beschrijving op moleculaire schaal van watermoleculen, ionen en van de nanoporeuze koolstofelektroden, met een vereenvoudigde weergave van de interacties daartussen", legt teamleider uit. Benjamin Rotenberg van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) en de Sorbonne Université in Parijs. “We houden rekening met twee belangrijke kenmerken: de complexe structuur van het elektrodemateriaal en hoe het wordt gepolariseerd door het elektrolyt wanneer er een spanning tussen de elektroden staat.

“Vervolgens gaan we over tot 'numerieke experimenten' en kijken we naar het traject van elk atoom/molecuul in het systeem. Uit de verkregen gegevens berekenen we eigenschappen die direct kunnen worden vergeleken met experimentele resultaten, bijvoorbeeld de capaciteit van de apparaten. Een goede overeenkomst tussen de twee ondersteunt ons model.”

In de context van blauwe energie vertrouwen onderzoekers op twee theorieën over het grensvlak tussen elektroden en elektrolyten: de Debye-Huckël- en Poisson-Boltzmann-theorieën. Deze zijn in veel gevallen erg handig, bijvoorbeeld voor vlakke of poreuze elektroden met zeer grote poriën. “Ze falen echter in het huidige geval van extreme opsluiting, waarbij moleculaire effecten een belangrijke rol spelen”, zegt Rotenberg.

Eenvoudigere beschrijving

Wat betreft CDI, een ander model, wordt vaak het gemodificeerde Donnan-model gebruikt. "Dit is een nog eenvoudigere beschrijving van het evenwicht tussen de nanoporiën en de bulkelektrolyt", legt Rotenberg uit. "Het introduceert effectieve parameters die meestal worden aangepast aan experimentele gegevens.

"Hoewel het gebruik van parameters uit de literatuur voor vergelijkbare materialen ons niet in staat stelt om onze experimentele resultaten onder alle omstandigheden te reproduceren, kunnen we goede voorspellingen verkrijgen door de parameters van een aangepast Donnan-model aan te passen om de simulaties bij hoge elektrolytzoutconcentraties te reproduceren. Op deze manier kunnen we de voorspellingen extrapoleren naar lagere zoutconcentraties zonder daadwerkelijke experimenten te doen.”

Hoewel niet ideaal, zeggen de onderzoekers dat de aanpak hen in staat stelt om de experimentele capaciteit van hun apparaten bij lagere zoutconcentraties redelijk goed te voorspellen.

Betrouwbare voorspelling van capaciteit

"Ons werk bevestigt dat nanoporeuze koolstofelektroden, die al worden gebruikt in supercondensatoren om energie op te slaan, veelbelovend zijn voor zowel CapMix als CDI", vertelt Rotenberg. nanotechweb.org. "Het bewijst ook dat realistische simulaties van moleculaire dynamica goed zijn voor het onderzoeken van de fundamentele mechanismen die in deze materialen spelen. En dat de simulaties kunnen worden gebruikt om de capaciteit betrouwbaar te voorspellen, vooral bij hoge zoutconcentraties.”

Het team, dat wetenschappers van de Université de Toulouse omvat, zegt in het kader van het Franse onderzoeksnetwerk voor elektrochemische energieopslag, RS2E, dat het nu bezig is met het simuleren van andere zouten om ionspecifieke effecten aan te pakken.

"We onderzoeken ook verschillende koolstofstructuren en ontwikkelen verbeterde eenvoudige beschrijvingen waarmee we de tekortkomingen van onze moleculaire simulaties kunnen overwinnen. Hun rekenkosten laten ons helaas nog niet toe om het gedrag te simuleren van elektrolyten met een zoutgehalte dat vergelijkbaar is met dat van rivierwater.”

Het onderzoek is gedetailleerd in Fysieke beoordeling X DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.8.021024.