Nutzung der sanften Ionenlandung zur Lösung harter Energieprobleme

Mit freundlicher Genehmigung von Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

Jede Technologie, die unsere Welt steuert, benötigt Energie nach Bedarf. Energie muss gespeichert werden und für den Betrieb elektronischer Geräte und leichter Gebäude zugänglich sein. Die große Vielfalt an Geräten, die Energie bei Bedarf benötigen, hat zur Entwicklung zahlreicher Strategien zur Energiespeicherung geführt.

Viele Energiespeicher Geräte kombinieren chemische und elektrische Prozesse, um Energie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Durch diesen Prozess entsteht eine Schnittstelle– der Ort des Geschehens, an dem zwei unterschiedliche Materialien aufeinandertreffen und sich verwandeln. Um effizientere und langlebigere Energiespeichergeräte herzustellen, müssen Wissenschaftler kontrollieren, was an und in der Nähe dieser Schnittstellen geschieht. Aber das ist nicht einfach.

„Die meisten Forschungsarbeiten erstellen eine komplizierte Schnittstelle und verwenden dann fortgeschrittene Charakterisierungstechniken, um zu versuchen, sie zu verstehen“, sagte er Grant Johnson, ein Chemiker at Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) der das Separation Science-Programm leitet. „Im Vergleich dazu erstellen wir nicht die gesamte Schnittstelle. Wir bereiten jedes Stück separat vor und können so die einzelnen Komponenten und ihre Entstehung untersuchen.“

Ihr Ansatz wird „Ion Soft Landing“ genannt. Die Technik ermöglicht es Wissenschaftlern zu sehen, wie einzelne geladene Moleküle oder Ionen, die an realen Energiespeicherschnittstellen existieren, mit einer Elektrodenoberfläche und einem elektrischen Potenzial interagieren. Es vereinfacht die chaotischen Schnittstellen, die in echten Energiespeichersystemen existieren, in separate Systeme mit nur einer Ionenart und der Oberfläche. Anschließend können die Forscher untersuchen, welche Rolle jedes Molekül bei der Bildung der Schnittstelle spielt.

Sanfte Landung von Ionen für gezielte Studien zur Energiespeicherung

Durch die sanfte Ionenlandung können Forscher einen einzelnen, spezifischen Ionentyp anhand seiner Ladung und Größe auswählen. Die ausgewählten Ionen landen dann sanft auf einer leitfähigen Oberfläche. Dieser Prozess bereitet eine genau definierte Grenzfläche vor, die für die Reaktionen der ausgewählten Moleküle und des Oberflächenmaterials charakteristisch ist.

Sobald die Schnittstelle vorbereitet ist, können Forscher mit anderen Instrumenten untersuchen, wie die Oberfläche und das Molekül interagieren. Diese Charakterisierung liefert Informationen über die Art der chemischen Bindungen, die an der Grenzfläche gebrochen und gebildet werden.

Lithium-Ionen-Systeme, die viele unserer elektronischen Geräte antreiben, sind möglicherweise die bekanntesten Energiespeichergeräte. Das PNNL-Forschungsteam erforscht jedoch noch effizientere und potenziell transformative Energiespeichersysteme. Dazu gehören Lithium-Schwefel-Ionen, Feststoffe auf Lithiumbasis und alles, was über die Lithiumchemie hinausgeht. Für diese Forschung beginnt das Team mit einer Elektrolytlösung aus Molekülen und bringt ausgewählte Ionen, wie verschiedene Lithiumsulfide, weich auf Lithiummetall mit einer sauerstoffreichen Oberfläche.

Sie haben es kürzlich entdeckt Unter anderem spielen die negativ geladenen Lithium-Schwefel-Ionen eine Schlüsselrolle beim Betrieb dieser neuen Energiespeicher an Grenzflächen. Sie fanden heraus, dass die Ionen mehrere Reaktionen durchlaufen, die sich auf die Reduktions- und Oxidationschemie von Schwefel und nicht von Lithium konzentrieren.

Die Ergebnisse erklären die Natur der Schwefel-Sauerstoff-Bindungen und der damit verbundenen reagierten Moleküle, die in Energiespeichergeräten beobachtet werden. Die Arbeit zur sanften Ionenlandung liefert eine Erklärung auf molekularer Ebene dafür, warum oxidierte Formen von Schwefel an Lithium-Schwefel-Grenzflächen existieren. Das genaue Verständnis, wie diese wichtigen Ionen an einer Modellschnittstelle in feste Materialien umgewandelt werden, hilft Forschern, die komplizierten Schnittstellen in realen Geräten aufzuschlüsseln.

„Jedes Mal, wenn wir untersuchen, wie ein einzelner Molekültyp reagiert, lernen wir etwas Neues, das das kollektive Wissen über die Grenzflächenbildung erweitert“, sagte Johnson.

Verständnis der Schnittstellen bei der Energiespeicherung

Ursprünglich entwickelten PNNL-Forscher ihre Fähigkeiten zur sanften Ionenlandung mit Unterstützung des Basic Energy Sciences Separation Science-Programms des Department of Energy (DOE). Durch dieses Programm Chemieingenieur Venky Prabhakaran nutzte die sanfte Ionenlandung, um elektrochemisch aktive Grenzflächen für Trennungen zu untersuchen. Er wollte jedoch sehen, was die Technik über Trennsysteme hinaus leisten kann. Ein Treffen mit Physiker Vijay Murugesan Vor einigen Jahren ermöglichte die sanfte Ionenlandung den Einstieg in die Welt der Energiespeicherung. Murugesan leitet einen Schwerpunktbereich für Gemeinsames Zentrum für Energiespeicherforschung (JCESR), ein DOE-Innovationszentrum.

„Eines Tages hatte ich ein Treffen mit Vijay über etwas anderes und wir begannen, über unsere Forschung zu sprechen“, sagte Prabhakaran. „Wir haben schnell erkannt, dass die sanfte Ionenlandung ein wichtiges Instrument zur Beantwortung wichtiger Fragen im von Vijay geleiteten JCESR-Schwerpunktbereich sein könnte.“

Der bevorstehende Umzug des Teams in das Energy Sciences Center wird ihre Arbeit rationalisieren und sie für eine effiziente Zusammenarbeit und experimentelle Studien näher zusammenbringen.

„Derzeit müssen wir mehrere Korridore durchqueren, um vom Ionen-Soft-Landing-Labor zu den wichtigsten Charakterisierungsinstrumenten zu gelangen“, sagte Murugesan. Auch wenn das nicht weit zu sein scheint, verursacht dieser kurze Weg Probleme für ihre hochempfindlichen und reaktiven Proben. Um die Proben zu transportieren, müssen die Forscher einen speziellen „Vakuumkoffer“ verwenden, sogar durch den Flur.

„Im Energy Sciences Center werden unsere Labore direkt nebeneinander liegen“, sagte Prabhakaran. „Wir werden eine Verbindungstür haben!“ Der deutlich kürzere Weg von Instrument zu Instrument bedeutet weniger Zeit für eine mögliche Probenverschlechterung oder -kontamination.

Eine neue Innovation, die das Team begeistert, besteht darin, zwei Arten von Ionen gleichzeitig auszuwählen und abzuscheiden, eine positive und eine negative. Dieser Ansatz schafft ein realistischeres Modell von Energiespeichergeräten. Die verschiedenen Ionen interagieren miteinander und mit der Oberfläche, sodass das Team die Aktion an der Grenzfläche erfassen kann.

Einige der in diesem Artikel erwähnten Arbeiten wurden im Rahmen von JCESR unterstützt, einem Energy Innovation Hub, der vom DOE, Office of Science, Basic Energy Sciences-Programm finanziert wird. Dies geschah in Zusammenarbeit mit der Texas A&M University. Weitere PNNL-Autoren sind neben Johnson, Murugesan und Prabhakaran Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan und Karl Mueller. Ein Teil der Arbeiten wurde durchgeführt am Labor für Umweltmolekularwissenschaften, eine nationale wissenschaftliche Nutzereinrichtung. Zukünftige Arbeiten werden im Energy Sciences Center fortgesetzt.

 

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Quelle: https://cleantechnica.com/2022/01/16/using-ion-soft-landing-to-solve-hard-energy-problems/