استخدام الهبوط الأيوني الناعم لحل مشاكل الطاقة الصلبة

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

من باب المجاملة المختبر الوطني شمال غرب المحيط الهادئ.
By بيث موندي ، PNNL

تتطلب كل تقنية تدير عالمنا طاقة حسب الطلب. يجب تخزين الطاقة وجعلها في متناول الأجهزة الإلكترونية العاملة بالطاقة والمباني الخفيفة. أدت المجموعة الواسعة من الأجهزة التي تتطلب طاقة عند الطلب إلى تطوير العديد من الاستراتيجيات لتخزين الطاقة.

كثير تخزين الطاقة تجمع الأجهزة بين العمليات الكيميائية والكهربائية لتحويل الطاقة من شكل إلى آخر. ينتج عن هذه العملية واجهة- مكان العمل حيث تلتقي مادتان مختلفتان وتتحولان. لجعل أجهزة تخزين الطاقة أكثر كفاءة واستمرارية ، يحتاج العلماء إلى التحكم في ما يحدث في هذه الواجهات وبالقرب منها. لكن هذا ليس بالأمر السهل.

قال "معظم الأبحاث تصنع واجهة معقدة ثم تستخدم تقنيات توصيف متقدمة لمحاولة فهمها" جرانت جونسون ، كيميائي at مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) الذي يقود برنامج علوم الانفصال. "بالمقارنة ، نحن لا نصنع الواجهة بالكامل. نقوم بإعداد كل قطعة على حدة ، مما يسمح لنا بدراسة المكونات الفردية وكيف تتشكل ".

نهجهم يسمى أيون الهبوط الناعم. تسمح هذه التقنية للعلماء بمعرفة كيفية تفاعل الجزيئات المشحونة الفردية ، أو الأيونات ، الموجودة في واجهات تخزين الطاقة الحقيقية مع سطح قطب كهربائي وإمكانات كهربائية. إنه يبسط الواجهات الفوضوية الموجودة في أنظمة تخزين الطاقة الحقيقية إلى أنظمة منفصلة بنوع واحد فقط من الأيونات والسطح. يمكن للباحثين بعد ذلك التحقيق في الدور الذي يلعبه كل جزيء في إنشاء الواجهة.

يسمح الإعداد المصمم خصيصًا للباحثين بإجراء تجارب هبوط ناعم للأيونات. (تصوير أندريا ستار | مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني)

هبوط الأيونات بهدوء للدراسات المستهدفة في تخزين الطاقة

يتيح الهبوط الأيوني الناعم للباحثين اختيار نوع واحد محدد من الأيونات حسب الشحنة والحجم. ثم تهبط الأيونات المختارة برفق على سطح موصل. تُعد هذه العملية واجهة محددة بدقة مميزة لتفاعلات الجزيئات والمواد السطحية المختارة.

بمجرد إعداد الواجهة ، يمكن للباحثين استخدام أدوات أخرى لفحص كيفية تفاعل السطح والجزيء. يكشف هذا التوصيف عن معلومات حول طبيعة الروابط الكيميائية المكسورة والمتكونة في الواجهة.

قد تكون أنظمة ليثيوم أيون ، التي تشغل العديد من إلكترونياتنا ، أكثر أجهزة تخزين الطاقة شيوعًا. ومع ذلك ، فإن فريق البحث في PNNL يستكشف أنظمة تخزين طاقة أكثر كفاءة وتحويلية محتملة. وتشمل هذه أيونات الليثيوم والكبريت والمواد الصلبة القائمة على الليثيوم والانتقال إلى ما هو أبعد من كيمياء الليثيوم. بالنسبة لهذا البحث ، يبدأ الفريق بمحلول إلكتروليت من الجزيئات والأيونات المختارة للأراضي الرخوة ، مثل كبريتيدات الليثيوم المختلفة ، على معدن الليثيوم بسطح غني بالأكسجين.

اكتشفوا مؤخرا بطريقة واحدة تلعب أيونات الليثيوم - الكبريت سالبة الشحنة دورًا رئيسيًا في تشغيل أجهزة تخزين الطاقة الجديدة هذه في الواجهات. وجدوا أن الأيونات تخضع لتفاعلات متعددة تتمحور حول كيمياء الاختزال والأكسدة للكبريت ، بدلاً من الليثيوم.

تشرح النتائج طبيعة روابط الكبريت والأكسجين والجزيئات المتفاعلة ذات الصلة التي لوحظت في أجهزة تخزين الطاقة. يوفر عمل الهبوط الناعم للأيونات تفسيرًا على المستوى الجزيئي لسبب وجود أشكال مؤكسدة من الكبريت في واجهات الليثيوم والكبريت. يساعد فهم كيفية تحول هذه الأيونات المهمة إلى مواد صلبة في واجهة نموذجية الباحثين على تفكيك الواجهات المعقدة في الأجهزة الحقيقية.

قال جونسون: "في كل مرة نستكشف فيها كيف يتفاعل نوع فردي من الجزيء ، نتعلم شيئًا جديدًا يبني المعرفة الجماعية حول تشكيل الواجهة".

إلقاء نظرة خاطفة على ركيزة بعد هبوط ناعم للأيونات. (تصوير أندريا ستار | مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني)

فهم الواجهات المشاركة في تخزين الطاقة

في الأصل ، طور باحثو PNNL قدرات هبوط الأيونات الخاصة بهم بدعم من برنامج علوم فصل علوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة (DOE). من خلال هذا البرنامج ، مهندس كيميائي فينكي برابهاكاران يستخدم الهبوط الأيوني الناعم لدراسة الواجهات النشطة كهروكيميائيًا لعمليات الفصل. ومع ذلك ، فقد أراد أن يرى ما يمكن أن تفعله التقنية خارج أنظمة الفصل. لقاء مع الفيزيائي فيجاي موروجيسان قبل بضع سنوات ، أدى إلى دخول الهبوط الأيوني الناعم إلى عالم تخزين الطاقة. يقود Murugesan منطقة تركيز لـ المركز المشترك لأبحاث تخزين الطاقة (JCESR)، مركز الابتكار التابع لوزارة الطاقة.

قال برابهاكاران: "ذات يوم ، كان لدي اجتماع مع فيجاي حول شيء آخر وبدأنا الحديث عن بحثنا". "أدركنا بسرعة أن الهبوط الأيوني الناعم قد يكون أداة مهمة للمساعدة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في منطقة تركيز JCESR التي يقودها Vijay."

سيؤدي انتقال الفريق القادم إلى مركز علوم الطاقة إلى تبسيط عملهم وتقريبهم من أجل التعاون الفعال والدراسات التجريبية.

قال موروجيسان: "في الوقت الحالي ، يتعين علينا النزول في عدة ممرات للانتقال من مختبر الهبوط الأيوني الناعم إلى أدوات التوصيف الرئيسية". في حين أن هذا قد لا يبدو بعيدًا ، إلا أن هذا المشي القصير يسبب مشاكل لعيناتهم شديدة الحساسية والمتفاعلة. يتعين على الباحثين استخدام "حقيبة فراغ" خاصة لنقل العينات ، حتى أسفل القاعة.

قال برابهاكاران: "في مركز علوم الطاقة ، ستكون مختبراتنا بجوار بعضها البعض". "سيكون لدينا باب متصل!" يعني السير الأقصر بشكل كبير من أداة إلى أخرى وقتًا أقل لاحتمال تدهور العينة أو تلوثها.

يتضمن الابتكار الأخير الذي أثار حماس الفريق اختيار وإيداع نوعين من الأيونات في وقت واحد ، أحدهما إيجابي والآخر سلبي. هذا النهج يخلق نموذجًا أكثر واقعية لأجهزة تخزين الطاقة. تتفاعل الأيونات المختلفة مع بعضها البعض والسطح ، مما يمكّن الفريق من التقاط الحركة على الواجهة.

تم دعم بعض الأعمال المذكورة في هذه المقالة كجزء من JCESR ، وهو مركز ابتكار الطاقة بتمويل من وزارة الطاقة ، مكتب العلوم ، برنامج علوم الطاقة الأساسية. تم ذلك بالتعاون مع جامعة تكساس إيه آند إم. بالإضافة إلى جونسون وموروجيسان وبرابهاكاران ، فإن مؤلفي PNNL الآخرين هم Kie Hankins و Sungun Wi و Vaithiyalingam Shutthanandan و Swadipta Roy و Hui Wang و Yuyan Shao و Suntharampillai Thevuthasan و Karl Mueller. تم تنفيذ جزء من العمل في مختبر العلوم الجزيئية البيئية، وهي منشأة علمية وطنية للمستخدم. سيستمر العمل المستقبلي في مركز علوم الطاقة.

هل تقدر أصالة CleanTechnica؟ النظر في أن تصبح عضو في CleanTechnica أو داعم أو فني أو سفير - أو راعي على Patreon.