Chelsea Chen: Barrieren bei der Energiespeicherung überwinden

Melden Sie sich an für Tägliche Nachrichten-Updates von CleanTechnica per E-Mail. Oder Folgen Sie uns auf Google News!

---

Für diejenigen, die davon träumen, mit ihrem Elektrofahrzeug weite Strecken zu fahren, um das größte Bindfadenknäuel der Welt zu sehen, setzt sich Chelsea Chen dafür ein, dies zu ermöglichen.

Chen, ein Polymerphysiker am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums, untersucht den Ionentransport in Festelektrolyten, der dazu beitragen könnte, dass die Batterieladungen von Elektrofahrzeugen länger halten.

„Die Herausforderung bei aktuellen Elektrofahrzeugen besteht darin, die Reichweite weiter zu erhöhen, und das bedeutet eine höhere Energiedichte“, sagte Chen. „Dies erfordert ein revolutionäres Design der Batteriechemie.“

Um dieses Problem anzugehen, erforscht Chen feste Polymerelektrolyte.

„Festkörperelektrolyte sind der Schlüssel zu höherer Energiedichte. Polymere treffen in Elektrofahrzeugbatterien sowohl auf die Kathode als auch auf die Anode. Das Verständnis und die Optimierung der Struktur und Eigenschaften an der Grenzfläche ist der Schlüssel zur Verbesserung der Leistung von Festkörperbatterien.“

Nur die Fakten’

Chen ist wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Schneller und kooperativer Ionentransport in polymerbasierten Materialienoder FaCT, Center, eines von 16 neu finanzierten DOE Energie-Frontier-Forschungszentren Diese arbeiten hauptsächlich mit Universitäten und nationalen Labors im ganzen Land zusammen und arbeiten an der Lösung drängender wissenschaftlicher Herausforderungen an der Spitze der Grundlagenforschung im Bereich der Energiewissenschaften. FaCT-Forscher wollen ein Modell des Ionentransports in Polymeren entwickeln, das die künftige Gestaltung von Energiespeicher- und -umwandlungsmaterialien wie Batterieelektrolyten beeinflussen wird.

Chens Forschung am ORNL konzentriert sich auf die Entwicklung von Festkörperbatterien und das Verständnis des Ionentransports in Polymer-Keramik-Verbundelektrolyten und an Elektrolyt/Elektroden-Grenzflächen.

Beliebte Designs mit hoher Energiedichte verwenden eine Lithium-Metallanode. Lithium reagiert jedoch leicht mit flüssigen Elektrolyten in aktuellen Lithium-Ionen-Batterien, was zu Brandschutzbedenken führt.

Eine Lösung könnten Festkörperelektrolyte bieten, deren Kombination mit einer Hochspannungskathode und einer Lithiummetallanode zu einer erhöhten Energiedichte führt.

Der Weg ins Jetzt

Chen wurde im Nordosten Chinas geboren. Ihr Lieblingsfach in der High School war Chemie. „Ich habe mich schon immer für die Titrationsexperimente interessiert, um zu sehen, wie ein Material mit einem anderen reagiert“, sagte sie.

Als Student an der Shanghai Jiao Tong University in China war Chen von Polymerexperten umgeben. „Sie haben in ihrer Chemieabteilung ein großes Polymerprogramm untergebracht“, sagte Chen. „Ich habe mit so vielen Professoren zusammengearbeitet, die sich auf Polymere spezialisiert haben.“

Chen erlangte ihren Doktortitel in makromolekularer Wissenschaft und Technik an der University of Michigan mit einer Dissertation über die Kontrolle der räumlichen Verteilung von Nanopartikeln innerhalb eines dünnen Polymerwirtsfilms. Sie absolvierte ein Postdoktorat an der University of California, Berkeley, und am Lawrence Berkeley National Laboratory, wo sie die Struktur von Polymeren mit Elektronenmikroskopie und Kleinwinkel-Röntgenstreuung untersuchte.

Chen hat ihre Karriere auf das Verständnis der Strukturen, Eigenschaften und Verhaltensweisen von Polymeren aufgebaut. Bevor er 2017 zur Materialwissenschafts- und Technologieabteilung des ORNL wechselte, war Chen leitender Chemiker bei Dow Chemical. Dort konzentrierte sie sich auf die Entwicklung dielektrischer Polymerfilme mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Flexibilität für Halbleiteranwendungen.

Obwohl sie in ihrem Fachgebiet tätig war, erkannte Chen, dass ihre Leidenschaft der Forschung und Entwicklung galt, was in der Industrie nicht unbedingt Priorität hat.

„Ich wollte schon immer mehr Grundlagenforschung betreiben, was im kommerziellen Sektor nicht möglich ist“, fügte Chen hinzu. Im Jahr 2017 kehrte sie zu ihren nationalen Laborwurzeln zurück. „Ich wollte in einer Institution arbeiten, in der Forschung und Entwicklung im Mittelpunkt stehen.“

Chen hat die Umweltveränderung begrüßt und genießt die Vorteile der Arbeit in einem nationalen Labor.

„Der größte Unterschied besteht darin, dass hier der wissenschaftliche Output das Wichtigste ist“, sagte Chen. Da sie ihre Leidenschaft in die Veröffentlichung von am ORNL durchgeführten Forschungsarbeiten einbrachte, wurde Chen 2022 mit dem Young Investigator Award der American Chemical Society ausgezeichnet.

Sie schätzt auch die multidisziplinäre Zusammenarbeit. „Die Universitätsarbeit ist sehr isoliert“, sagte Chen. „Mir gefällt am Labor, dass ich bei Problemen oder Fragen auf einen Experten in jedem Fachgebiet zurückgreifen kann. Hier sind sie alle in Ordnung.“

Die Zukunft von Kunststoffen

Während Chen ihre Daten sammelt, interessiert sie sich auch dafür, was mit Polymerprodukten im Allgemeinen passiert, nicht nur für Elektrolyte für Elektrofahrzeugbatterien.

„Wir sollten Polymere wirklich für etwas anderes wiederverwenden, anstatt sie ins Meer zu werfen“, sagte Chen und sprach von der Verpackungsindustrie und Verbraucherkunststoffen. „Leider“, sagte sie, „ist es billiger, neue herzustellen statt zu recyceln.“

Um die Nachhaltigkeit von Elektrofahrzeugbatterien zu verbessern, sind Hersteller daran interessiert, verbrauchte Batterien zu recyceln, um Materialien wie Lithium, Kobalt und Nickel zurückzugewinnen. Chen ist der Meinung, dass Polymere die gleiche Recycling-Berücksichtigung verdienen.

Chens Arbeit treibt nachhaltige Chemie durch Recycling und Upcycling voran – man denke an Schuhe, die aus Wasserflaschen hergestellt werden. Sie hofft, dass Forschungen wie ihre dem öffentlichen und privaten Sektor dabei helfen werden, End-of-Life-Probleme beim Polymerdesign zu berücksichtigen und anzugehen.

Das DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy und das DOE Office of Science finanzieren Chens Arbeit. Ihre Forschung stützt sich häufig auf die Spallations-Neutronenquelle und die Nutzereinrichtungen des Center for Nanophase Materials Sciences, DOE Office of Science am ORNL.

UT-Battelle verwaltet ORNL für das Office of Science des DOE. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte energie.gov/science.

Von Christy White. Mit freundlicher Genehmigung von Oak Ridge National Laboratory.