Brug af Ion Soft Landing til at løse problemer med hård energi

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Venligst udlånt af Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

Enhver teknologi, der driver vores verden, kræver energi efter behov. Energi skal lagres og være tilgængelig for at forsyne elektroniske apparater og lette bygninger. Det brede udvalg af enheder, der kræver energi efter behov, har ført til udviklingen af adskillige strategier til lagring af energi.

Mange energilagring enheder kombinerer kemiske og elektriske processer for at omdanne energi fra en form til en anden. Denne proces resulterer i en grænseflade- handlingsstedet, hvor to forskellige materialer mødes og transformeres. For at lave mere effektive, længerevarende energilagringsenheder skal forskerne kontrollere, hvad der sker ved og i nærheden af disse grænseflader. Men det er ikke nemt.

"Det meste forskning gør en kompliceret grænseflade og bruger derefter avancerede karakteriseringsteknikker til at prøve at forstå det," sagde Grant Johnson, en kemiker at Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) der leder programmet Separation Science. "Til sammenligning laver vi ikke hele grænsefladen. Vi forbereder hvert stykke separat, hvilket giver os mulighed for at studere de enkelte komponenter, og hvordan de dannes."

Deres tilgang kaldes blød ionlanding. Teknikken gør det muligt for forskere at se, hvordan individuelle ladede molekyler eller ioner, der eksisterer ved virkelige energilagringsgrænseflader, interagerer med en elektrodeoverflade og et elektrisk potentiale. Det forenkler de rodede grænseflader, der findes i rigtige energilagringssystemer, til separate systemer med kun én type ion og overfladen. Forskerne kan derefter undersøge, hvilken rolle hvert molekyle spiller i at skabe grænsefladen.

Det specialbyggede setup giver forskere mulighed for at udføre ion-blød landingseksperimenter. (Foto af Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Blødt landende ioner til målrettede undersøgelser i energilagring

Blød ionlanding gør det muligt for forskere at vælge en enkelt, specifik type ion efter ladning og størrelse. De valgte ioner lander derefter forsigtigt på en ledende overflade. Denne proces forbereder en præcist defineret grænseflade, der er karakteristisk for reaktionerne af de udvalgte molekyler og overflademateriale.

Når grænsefladen er forberedt, kan forskerne bruge andre instrumenter til at undersøge, hvordan overfladen og molekylet interagerer. Denne karakterisering afslører information om arten af de kemiske bindinger, der brydes og dannes ved grænsefladen.

Lithium-ion-systemer, som driver mange af vores elektronik, kan være de mest velkendte energilagringsenheder. PNNL-forskerholdet udforsker dog endnu mere effektive og potentielt transformative energilagringssystemer. Disse omfatter lithium-svovlioner, lithiumbaserede faste stoffer og bevæger sig ud over lithiumkemi. Til denne forskning starter holdet med en elektrolytopløsning af molekyler og udvalgte ioner i blødt land, som forskellige lithiumsulfider, på lithiummetal med en iltrig overflade.

Det opdagede de for nylig én måde spiller de negativt ladede lithium-svovlioner en nøglerolle i driften af disse nye energilagringsenheder ved grænseflader. De fandt ud af, at ionerne gennemgår flere reaktioner centreret om reduktion og oxidationskemi af svovl snarere end lithium.

Resultaterne forklarer arten af svovl-iltbindingerne og relaterede reagerede molekyler observeret i energilagringsenheder. Arbejdet med blød landing af ioner giver en forklaring på molekylært niveau på, hvorfor der findes oxiderede former for svovl ved lithium-svovl-grænseflader. At forstå præcis, hvordan disse vigtige ioner bliver til faste materialer ved en modelgrænseflade hjælper forskerne med at nedbryde de komplicerede grænseflader i rigtige enheder.

"Hver gang vi udforsker, hvordan en individuel type molekyle reagerer, lærer vi noget nyt, der opbygger kollektiv viden om grænsefladedannelse," sagde Johnson.

Tag et kig på et substrat efter blød ionlanding. (Foto af Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Forståelse af grænseflader involveret i energilagring

Oprindeligt udviklede PNNL-forskere deres ion bløde landingsevner med støtte fra Department of Energy (DOE) Basic Energy Sciences Separation Science-program. Gennem det program, kemiingeniør Venky Prabhakaran brugt blød ionlanding til at studere elektrokemisk aktive grænseflader til separationer. Han ville dog se, hvad teknikken kunne ud over separationssystemer. Et møde med fysiker Vijay Murugesan for et par år siden bragte ion blød landings indtog til verden af energilagring. Murugesan leder et fokusområde for Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), en DOE Innovation Hub.

"En dag havde jeg et møde med Vijay om noget andet, og vi begyndte at tale om vores forskning," sagde Prabhakaran. "Vi indså hurtigt, at blød ionlanding kan være et vigtigt værktøj til at hjælpe med at besvare nøglespørgsmål i JCESR-fokusområdet, som Vijay leder."

Holdets kommende flytning til Energy Sciences Center vil strømline deres arbejde og bringe dem tættere sammen for effektivt samarbejde og eksperimentelle undersøgelser.

"I øjeblikket er vi nødt til at gå ned ad flere korridorer for at komme fra laboratoriet for blød ionlanding til nøglekarakteriseringsinstrumenter," sagde Murugesan. Selvom det måske ikke virker langt, forårsager den korte gåtur problemer for deres meget følsomme og reaktive prøver. Forskerne skal bruge en speciel "vakuumkuffert" til at transportere prøverne, selv ned ad gangen.

"I Energy Sciences Center vil vores laboratorier være lige ved siden af hinanden," sagde Prabhakaran. "Vi vil have en forbindelsesdør!" Den væsentligt kortere gang fra instrument til instrument betyder mindre tid til mulig prøvenedbrydning eller kontaminering.

En nylig innovation, der har holdet begejstret, involverer samtidig udvælgelse og deponering af to slags ioner, en positiv og en negativ. Denne tilgang skaber en mere realistisk model af energilagringsenheder. De forskellige ioner interagerer med hinanden og overfladen, hvilket gør det muligt for teamet at fange handlingen ved grænsefladen.

Noget af arbejdet nævnt i denne artikel blev støttet som en del af JCESR, en Energy Innovation Hub finansieret af DOE's, Office of Science, Basic Energy Sciences-program. Det blev gjort i samarbejde med Texas A&M University. Ud over Johnson, Murugesan og Prabhakaran er andre PNNL-forfattere Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan og Karl Mueller. En del af arbejdet blev udført ved Det Molekylærvidenskabelige Miljølaboratorium, en national videnskabelig brugerfacilitet. Det fremtidige arbejde fortsætter på Energicenter.

Sætter du pris på CleanTechnicas originalitet? Overvej at blive en CleanTechnica-medlem, supporter, tekniker eller ambassadør - eller en protektor på Patreon.