Collaborative Research: DMREF: Accelerated Design of Redox-Active Polymers for Metal-Free Batteries

合作研究:DMREF:无金属电池氧化还原活性聚合物的加速设计

基本信息

  • 批准号:
    2119673
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 96.84万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-10-01 至 2025-09-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Growth in electrified transportation and grid-scale energy storage has been accompanied by increased demand for lithium-ion (Li-ion) batteries. This has caused an increase in world-wide demand of strategic metals such as cobalt and lithium, for which the US does not have deep reserves. To address this challenge, this project envisions metal-free, recyclable, organic batteries based upon redox-active, radical-containing polymers using a multi-disciplinary data-centric approach. The project also bears impact on other potential application areas opening the door to metal-free electronics, memory storage, and spintronics. This project will provide educational training opportunities in synthetic chemistry, polymer science, electrochemistry, and computational chemistry and physics specific to organic batteries. Education and outreach activities will be jointly developed and deployed at The University Chicago’s No Small Matter Molecular Engineering Fair, Texas A&M University’s Physics & Engineering Festival, and other venues. Workforce development is planned through participant mentoring and workshops targeted to industrial, academic, and government researchers.Radical-containing polymers are promising as redox-active materials, but their current performance remains inferior to current Li-ion battery materials. This project will address the specific challenges of improving the electrochemical performance of the radical-containing polymers as both cathodes and anodes. Specifically, the new knowledge to be gained regarding the cathode and anode include: (1) which chemical modifications adjust the redox potential of the redox active group; (2) which co-monomer patterns promote charge transport; and (3) and which electrolyte promotes electrochemical stability of the polymer. This project brings together researchers from Texas A&M University and The University of Chicago, who will integrate their expertise in machine-learning screening and optimization, computational materials chemistry, high-throughput synthesis, and characterization. In alignment with the Materials Genome Initiative (MGI), this project will culminate in the production and dissemination of a searchable polymer property database on redox-active polymers, polymer-specific inverse design machine learning tools, multiscale models for the redox kinetics, and a proof-of-concept all-organic battery.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
电气化交通和电网规模储能的增长伴随着对锂离子电池的需求增加,这导致全球对钴和锂等战略金属的需求增加。为了应对这一挑战,该项目设想使用多学科的以数据为中心的方法,基于氧化还原活性、含自由基的聚合物来开发无金属、可回收的有机电池。潜在的应用领域为无金属电子、记忆存储和自旋电子学打开了大门。该项目将提供合成化学、聚合物科学、电化学、计算化学和有机电池特定的物理方面的教育培训机会。通过针对工业、学术和政府的参与者指导和研讨会来规划劳动力发展,并在芝加哥大学的无小物质分子工程博览会、德克萨斯农工大学的物理与工程节和其他场所联合开发和部署。研究人员表示,含自由基的聚合物作为氧化还原活性材料很有前景,但其目前的性能仍然不如当前的锂离子电池材料。该项目将解决提高含自由基聚合物作为正极和负极的电化学性能的具体挑战。具体而言,有关阴极和阳极的新知识包括:(1)哪些化学修饰可调节氧化还原活性基团的氧化还原电位;(2)哪些共聚单体模式促进电荷传输;以及(3) 以及哪种电解质可以促进聚合物的电化学稳定性。该项目汇集了来自德克萨斯农工大学和芝加哥大学的研究人员,他们将整合他们在机器学习筛选和优化、计算材料化学、高通量合成、与材料基因组计划 (MGI) 保持一致,该项目最终将生产和传播有关氧化还原活性聚合物的可搜索聚合物特性数据库、聚合物特定的逆向设计机器学习工具、多尺度模型。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Water-coupled monovalent and divalent ion transport in polyviologen networks
多紫罗碱网络中水耦合的单价和二价离子传输
  • DOI:
    10.1039/d3ta00289f
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    11.9
  • 作者:
    Easley, Alexandra D.;Mohanty, Khirabdhi;Lutkenhaus, Jodie L.
  • 通讯作者:
    Lutkenhaus, Jodie L.
Prediction of Electronic Properties of Radical-Containing Polymers at Coarse-Grained Resolutions
粗粒度分辨率下含自由基聚合物的电子性质预测
  • DOI:
    10.1021/acs.macromol.3c00141
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.5
  • 作者:
    Alessandri, Riccardo;de Pablo, Juan J.
  • 通讯作者:
    de Pablo, Juan J.
The role of the electrolyte in non-conjugated radical polymers for metal-free aqueous energy storage electrodes
  • DOI:
    10.1038/s41563-023-01518-z
  • 发表时间:
    2023-03-27
  • 期刊:
  • 影响因子:
    41.2
  • 作者:
    Ma, Ting;Li, Cheng-Han;Lutkenhaus, Jodie L.
  • 通讯作者:
    Lutkenhaus, Jodie L.
Reorganization Energy Predictions with Graph Neural Networks Informed by Low-Cost Conformers
  • DOI:
    10.1021/acs.jpca.2c09030
  • 发表时间:
    2023-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Cheng-Han Li;Daniel P. Tabor
  • 通讯作者:
    Cheng-Han Li;Daniel P. Tabor
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知道了