تمرکز اصلی تحقیقات ذخیره انرژی CEI، توسعه مواد جدید برای بهبود عملکرد باتری است. برخی از محققان CEI جایگزین هایی برای اجزای یک باتری لیتیوم یون معمولی، مانند آندهای مبتنی بر سیلیکون به جای گرافیت، توسعه می دهند. برخی دیگر با ساختن معماری‌هایی در مقیاس میکرو و نانو که می‌توانند سرعت و کارایی چرخه‌های شارژ را با ویژگی‌های فیزیکی کوچک‌تر از عرض یک تار موی انسان، بهبود بخشند، اجزای باتری را که به خوبی توسعه یافته‌اند، بهبود بخشند. محققان CEI همچنین در حال بررسی شیمی های جایگزین برای Li-ion هستند که ممکن است برای یک کاربرد خاص مناسب باشد.

به عنوان مثال، استاد مهندسی شیمی (ChemE) وینسنت هولمبرگ و گروه تحقیقاتی او در حال توسعه و بررسی مواد آلیاژی برای باتری های Li-ion هستند. موادی مانند سیلیکون، ژرمانیوم و آنتیموان با یون‌های لیتیوم واکنش می‌دهند و آلیاژهایی را تشکیل می‌دهند که منجر به ظرفیت‌های بیشتری نسبت به آندهای گرافیت می‌شود که بر یون‌های لیتیوم بین لایه‌های گرافن متکی هستند. با این حال، مواد آلیاژی تغییرات بیشتری را در حجم فیزیکی تجربه می‌کنند که می‌تواند الکترود را تغییر شکل داده و منجر به کاهش عملکرد یا شکست شود. اما با وارد کردن یک نانوساختار به مواد آلیاژی، گروه هولمبرگ می‌تواند تنش و کرنش روی الکترود را از واکنش‌های بار و دشارژ کاهش دهد. مورفولوژی فیزیکی الکترودها می‌تواند بر توانایی باتری در نگهداری و انتقال شارژ تأثیر بگذارد، همانطور که هر گونه فعل و انفعالات شیمیایی بین یون‌های لیتیوم و سطح الکترودها می‌تواند تأثیر بگذارد.

ایجاد درک عمیق‌تر از واکنش‌های شارژ-تخلیه «تبدیل» برگشت‌پذیر، کلیدی برای استقرار شیمی باتری‌های جدید با چگالی انرژی نظری بالاتر، مانند لیتیوم-گوگرد است. با فراوانی گوگرد و وزن اتمی نسبتا کم، باتری‌های Li-S می‌توانند ارزان‌تر و سبک‌تر از باتری‌های لیتیوم یون با آند گرافیتی باشند، اما دستیابی به این چگالی انرژی بالا همزمان با چرخه عمر طولانی همچنان یک چالش بزرگ برای دانشمندان و مهندسان ذخیره‌سازی انرژی است. دستگاه های مبتنی بر لیتیوم اغلب به دلیل تشکیل “دندریت” از فلز لیتیوم که روی آندها مانند ریشه درختان در یک پیاده رو رشد می کنند، از کار می افتند.

پروفسور علم و مهندسی مواد جون لیو مکانیسم های تخریب فلز لی را با کاتدهای لیتیوم نیکل کبالت منگنز (NMC) در سلول های کیسه ای بررسی می کند و پیوندهای اساسی بین ضخامت لی، کاهش الکترولیت و تکامل ساختاری لایه های بین فاز جامد-الکترولیت ارائه کرده است. . در همین حال، مدیر CEI و پروفسور ChemE دن شوارتز و گروهش در حال کار بر روی مدل‌های محاسباتی سیستم‌های Li-S هستند که می‌توانند با نتایج تجربی تأیید شوند. لیو مدیر کنسرسیوم Battery500 است– به رهبری آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام (PNNL) و شامل شوارتز در کمیته اجرایی – که هدف آن توسعه نسل بعدی باتری های EV با تراکم انرژی نزدیک به 500 وات ساعت بر کیلوگرم است که دو برابر استاندارد صنعت است.

با پیشرفت فناوری در الکترونیک سیار که تقاضا برای باتری‌های متراکم‌تر را افزایش می‌دهد، مهندسان همچنین از معماری‌های الکترود سه‌بعدی (3D) و روش‌های تولید افزودنی برای ساخت سریع نمونه‌های اولیه باتری با عملکرد بهبودیافته استفاده می‌کنند. تحقیقاتی که توسط پروفسور مهندسی مکانیک (ME) کوری کاب در آزمایشگاه ساخت یکپارچه او انجام شد، بر این موضوع تمرکز دارد که چگونه معماری الکترودهای سه بعدی می‌تواند بسیاری از جنبه‌های عملکرد باتری را بهبود بخشد. علاوه بر این، با پیشرفته‌ترین نمونه‌سازی و قابلیت‌های آزمایش در بستر آزمایش انرژی پاک واشنگتن ، ME و پروفسور جی. دوین مک‌کنزی، علم و مهندسی مواد (MSE)گروه و گروه هلمبرگ برای مهندسی ساختاری الکترودهای آلیاژی آنتیموان با یکدیگر همکاری می کنند. چاپگرهای جوهر افشان ویژه به این مهندسان اجازه می‌دهند معماری‌های الکترود سه بعدی را با قطرات فقط میکرون بسازند، در حالی که یکی از تنها چاپگرهای الکترونیکی رول به رول با دسترسی باز و با کارایی بالا در جهان امکان تکرار سریع در مقیاس تجاری را فراهم می‌کند. تخت‌های آزمایش، که مک‌کنزی در آن مدیر فنی است، همچنین دارای میکروسکوپ‌های پیشرفته و تجهیزات تست باتری برای تأیید طرح‌های الکترود جدید است.

محققان CEI همچنین در حال ایجاد مدل های فیزیکی، ریاضی و محاسباتی برای ارزیابی نحوه عملکرد و خرابی باتری ها هستند. این مدل‌ها می‌توانند به بهینه‌سازی عملکرد باتری و چرخه‌های شارژ/دشارژ و پیش‌بینی خرابی‌های خطرناک باتری کمک کنند. گروه شوارتز در حال پیشرفت تشخیص باتری‌های لیتیوم یونی برای به دست آوردن داده‌هایی در مورد عملکرد روزانه و سلامت باتری است که جایگزینی پویا برای “کالبد شکافی” فیزیکی در پایان استفاده از دستگاه است. همراه با مدل‌های مبتنی بر فیزیک سیستم‌های باتری، این ابزارهای تشخیصی می‌توانند نشانه‌های تخریب را در زمان واقعی تشخیص دهند و به کاربران این امکان را می‌دهند که عملیات خود را برای افزایش طول عمر باتری تغییر دهند. علاوه بر این، محققان در گروه شوارتز از این مدل‌ها برای پیش‌بینی عمر دوم باتری‌هایی که فراتر از استانداردهای عملکرد EV هستند، مانند ریزشبکه‌های با انرژی خورشیدی، استفاده می‌کنند.

با ابررایانه UW “Hyak” ، محققان می‌توانند مولکول‌ها و برهمکنش‌های جنبشی و ترمودینامیکی آن‌ها را برای درک الکتروشیمی از منظری که در تکنیک‌های تجربی وجود ندارد، شبیه‌سازی کنند.

محققان CEI همچنین از تکنیک های تصویربرداری مستقیم مانند طیف سنجی اشعه ایکس برای درک عملکرد داخلی باتری ها استفاده می کنند. آزمایشگاه پروفسور جری سیدلرروشی را برای انجام طیف سنجی جذب اشعه ایکس نزدیک ساختار لبه (XANES) بر روی میز توسعه داده است. این تکنیک اندازه گیری های نسبتاً دقیقی از ویژگی های خاصی از وضعیت داخلی باتری را بدون نیاز به باز کردن آن و در نتیجه اختلال در سیستم ارائه می دهد. پیش از این، XANES تنها با شار تابشی بسیار بالا، از ابزارهایی مانند سنکروترون، قابل انجام بود. اینها امکانات بسیار بزرگ و گران قیمتی هستند که تا 1 میلیارد دلار هزینه دارند و اغلب فقط از طریق آزمایشگاه‌های فدرال با لیست‌های انتظار چند ماهه در دسترس عموم قرار می‌گیرند. اما با تکامل فناوری‌های الکترونیک نوری، آزمایشگاه سیدلر شرکتی را برای ساخت نمونه اولیه یک میز 25000 دلاری ایجاد کرد. ابزاری که می تواند اندازه گیری های گرفته شده در یک سنکروترون را تقلید کند. EasyXAFS _در حال حاضر دانشمندان را قادر می سازد تا اندازه گیری های XANES را در چند ساعت بدست آورند، که می تواند چرخه نوآوری باتری ها و سایر مواد و دستگاه های مرتبط با انرژی را تسریع بخشد.

در همین حال، کودی شلنکر، پروفسور شیمی و گروهش، شیمی بنیادی رابط‌ها را در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی با هدف دستیابی به درک عمیق‌تری از فرآیندهای الکتروشیمیایی بررسی می‌کنند. با جفت کردن نظریه الکتروشیمی با طیف‌سنجی، آزمایشگاه می‌تواند تغییرات در فرکانس‌های ارتعاشی و دینامیک انتقال یون را شناسایی کرده و آنها را به پدیده‌های شیمیایی خاص در رابط‌های کلیدی بین الکترودها، غشاهای جداکننده و الکترولیت‌ها مرتبط کند.