氧化還原液流電池是一種用于電化學(xué)能量存儲的新興技術(shù)，可以幫助增強可再生能源發(fā)電的利用率。這些電源本質(zhì)上是不規(guī)則的供應(yīng)，通常與電網(wǎng)需求不符。原則上，氧化還原液流電池可設(shè)計為具有與其額定功率無關(guān)的儲能容量。氧化還原活性分子很容易就流動到電極表面，這在確定氧化還原活性分子效率，生成和充電電量以及電池壽命方面起著重要的作用。

在一篇新論文中，伊利諾伊大學(xué)工程學(xué)院助理教授凱爾·史密斯（KyleSmith）用新理論應(yīng)對了這些挑戰(zhàn)，以預(yù)測流體流動如何影響液流電池中的分子在多孔電極表面反應(yīng)的能力。

Smith和他的博士生在研究中提出理論，即微觀尺度的反應(yīng)速率與電極材料的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。他的模型結(jié)果使他能夠預(yù)測在所謂的瞬態(tài)條件下分子的運輸過程，瞬態(tài)條件是電池電解質(zhì)中氧化還原活性分子的濃度隨時間變化。“我們證明了這些條件與氧化還原液流電池的運行非常相關(guān)，氧化還原液流電池會經(jīng)歷動態(tài)充電和放電過程，其中電解質(zhì)成分會隨時間變化。這與早期的研究相反，早期的研究主要是在穩(wěn)態(tài)的情況下（在時間上是恒定的）考慮了這種影響，”史密斯說。“我們引入的理論使得能夠基于電極內(nèi)部的微觀孔隙結(jié)構(gòu)來預(yù)測傳質(zhì)系數(shù)，電解質(zhì)在其中的電極被充放電。擁有這種功能使我們能夠設(shè)計應(yīng)如何設(shè)計此類結(jié)構(gòu)，換句話說，就是如何對其進行設(shè)計。”

Smith的發(fā)現(xiàn)影響了許多重要的工程應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，孔尺度的傳輸很重要，包括水的凈化和脫鹽，工業(yè)和車輛尾氣的催化凈化，反應(yīng)性礦物質(zhì)的傳輸以及活細胞的生物降解。

這項工作與Alkire通過多尺度仿真改善工程設(shè)計的職業(yè)研究緊密相關(guān)。“這本專刊的總體目標是解決新工程方法的需求，這是由于分子規(guī)模的顯著發(fā)現(xiàn)以及海量數(shù)據(jù)檔案的快速增長所推動的。重點是開發(fā)新的設(shè)計方法，以將分子尺度的行為與宏觀尺度上的傳統(tǒng)電化學(xué)工程設(shè)計程序聯(lián)系起來。目的是在分子水平上將質(zhì)量控制嵌入精心設(shè)計的產(chǎn)品和過程中。”