Χρήση ιόντων μαλακής προσγείωσης για την επίλυση προβλημάτων σκληρής ενέργειας

Ευγενική προσφορά του Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού.
By Beth Mundy, PNNL

Κάθε τεχνολογία που λειτουργεί τον κόσμο μας απαιτεί ενέργεια κατά παραγγελία. Η ενέργεια πρέπει να αποθηκεύεται και να είναι προσβάσιμη σε ηλεκτρονικές συσκευές και ελαφριά κτίρια. Το ευρύ φάσμα συσκευών που απαιτούν ενέργεια κατά παραγγελία έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη πολυάριθμων στρατηγικών για την αποθήκευση ενέργειας.

Πολλές αποθήκευσης ενέργειας Οι συσκευές συνδυάζουν χημικές και ηλεκτρικές διεργασίες για να μετατρέψουν την ενέργεια από τη μια μορφή στην άλλη. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα μια διεπαφή— ο τόπος δράσης όπου συναντώνται και μεταμορφώνονται δύο διαφορετικά υλικά. Για να κάνουν πιο αποτελεσματικές και πιο μακροχρόνιες συσκευές αποθήκευσης ενέργειας, οι επιστήμονες πρέπει να ελέγχουν τι συμβαίνει σε και κοντά σε αυτές τις διεπαφές. Αλλά αυτό δεν είναι εύκολο.

«Οι περισσότερες έρευνες δημιουργούν μια περίπλοκη διεπαφή και στη συνέχεια χρησιμοποιούν προηγμένες τεχνικές χαρακτηρισμού για να προσπαθήσουν να την κατανοήσουν», είπε Γκραντ Τζόνσον, χημικός at Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού (PNNL) που ηγείται του προγράμματος Separation Science. «Σε σύγκριση, δεν φτιάχνουμε ολόκληρη τη διεπαφή. Ετοιμάζουμε κάθε κομμάτι ξεχωριστά, κάτι που μας επιτρέπει να μελετήσουμε τα επιμέρους συστατικά και τον τρόπο σχηματισμού τους.»

Η προσέγγισή τους ονομάζεται μαλακή προσγείωση ιόντων. Η τεχνική επιτρέπει στους επιστήμονες να δουν πώς μεμονωμένα φορτισμένα μόρια, ή ιόντα, που υπάρχουν σε πραγματικές διεπαφές αποθήκευσης ενέργειας αλληλεπιδρούν με μια επιφάνεια ηλεκτροδίου και ένα ηλεκτρικό δυναμικό. Απλοποιεί τις ακατάστατες διεπαφές που υπάρχουν σε πραγματικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας σε ξεχωριστά συστήματα με έναν μόνο τύπο ιόντων και την επιφάνεια. Οι ερευνητές μπορούν στη συνέχεια να διερευνήσουν τον ρόλο που παίζει κάθε μόριο στη δημιουργία της διεπαφής.

Ιόντα ήπιας προσγείωσης για στοχευμένες μελέτες αποθήκευσης ενέργειας

Η μαλακή προσγείωση ιόντων δίνει τη δυνατότητα στους ερευνητές να επιλέξουν έναν μοναδικό, συγκεκριμένο τύπο ιόντων ανά φορτίο και μέγεθος. Τα επιλεγμένα ιόντα στη συνέχεια προσγειώνονται απαλά σε μια αγώγιμη επιφάνεια. Αυτή η διαδικασία προετοιμάζει μια επακριβώς καθορισμένη διεπαφή χαρακτηριστική των αντιδράσεων των επιλεγμένων μορίων και του επιφανειακού υλικού.

Μόλις προετοιμαστεί η διεπαφή, οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν άλλα όργανα για να εξετάσουν πώς αλληλεπιδρούν η επιφάνεια και το μόριο. Αυτός ο χαρακτηρισμός αποκαλύπτει πληροφορίες σχετικά με τη φύση των χημικών δεσμών που διασπώνται και σχηματίζονται στη διεπιφάνεια.

Τα συστήματα ιόντων λιθίου, τα οποία τροφοδοτούν πολλά από τα ηλεκτρονικά μας, μπορεί να είναι οι πιο γνωστές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Η ερευνητική ομάδα του PNNL, ωστόσο, διερευνά ακόμη πιο αποτελεσματικά και δυνητικά μετασχηματιστικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Αυτά περιλαμβάνουν ιόντα λιθίου-θείου, στερεά με βάση το λίθιο και πέρα ​​από τη χημεία του λιθίου. Για αυτήν την έρευνα, η ομάδα ξεκινά με ένα διάλυμα ηλεκτρολυτών μορίων και μαλακών προσγειώσεων επιλεγμένων ιόντων, όπως διάφορα θειούχα λιθίου, σε μέταλλο λιθίου με επιφάνεια πλούσια σε οξυγόνο.

Ανακάλυψαν πρόσφατα ένας τρόπος με τον οποίο τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα λιθίου-θείου παίζουν βασικό ρόλο στη λειτουργία αυτών των νέων συσκευών αποθήκευσης ενέργειας στις διεπαφές. Βρήκαν ότι τα ιόντα υφίστανται πολλαπλές αντιδράσεις με επίκεντρο τη χημεία αναγωγής και οξείδωσης του θείου και όχι του λιθίου.

Τα ευρήματα εξηγούν τη φύση των δεσμών θείου-οξυγόνου και των σχετικών αντιδρώντων μορίων που παρατηρούνται σε συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Η εργασία μαλακής προσγείωσης ιόντων παρέχει μια εξήγηση σε μοριακό επίπεδο για το γιατί υπάρχουν οξειδωμένες μορφές θείου στις διεπαφές λιθίου-θείου. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ακριβώς αυτά τα σημαντικά ιόντα μετατρέπονται σε στερεά υλικά σε μια διεπαφή μοντέλου βοηθά τους ερευνητές να διασπάσουν τις περίπλοκες διεπαφές σε πραγματικές συσκευές.

«Κάθε φορά που διερευνούμε πώς αντιδρά ένας μεμονωμένος τύπος μορίου, μαθαίνουμε κάτι νέο που χτίζει συλλογική γνώση σχετικά με το σχηματισμό διεπαφής», είπε ο Johnson.

Κατανόηση των διεπαφών που εμπλέκονται στην αποθήκευση ενέργειας

Αρχικά, οι ερευνητές PNNL ανέπτυξαν τις ικανότητές τους μαλακής προσγείωσης ιόντων με την υποστήριξη του προγράμματος Επιστήμης Διαχωρισμού Βασικών Επιστημών Ενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας (DOE). Μέσω αυτού του προγράμματος, χημικός μηχανικός Venky Prabhakaran χρησιμοποίησε μαλακή προσγείωση ιόντων για τη μελέτη ηλεκτροχημικά ενεργών διεπαφών για διαχωρισμούς. Ωστόσο, ήθελε να δει τι θα μπορούσε να κάνει η τεχνική πέρα ​​από τα συστήματα διαχωρισμού. Μια συνάντηση με ο φυσικός Vijay Murugesan Πριν από μερικά χρόνια έφερε την είσοδο της μαλακής προσγείωσης ιόντων στον κόσμο της αποθήκευσης ενέργειας. Ο Murugesan ηγείται μιας περιοχής εστίασης για το Κοινό Κέντρο Έρευνας Αποθήκευσης Ενέργειας (JCESR), ένα DOE Innovation Hub.

«Μια μέρα, είχα μια συνάντηση με τον Vijay για κάτι άλλο και αρχίσαμε να μιλάμε για την έρευνά μας», είπε ο Prabhakaran. "Γρήγορα συνειδητοποιήσαμε ότι η ομαλή προσγείωση ιόντων μπορεί να είναι ένα σημαντικό εργαλείο για να απαντήσουμε σε βασικά ερωτήματα στην περιοχή εστίασης του JCESR που οδηγεί στο Vijay."

Η επικείμενη μετακόμιση της ομάδας στο Κέντρο Ενεργειακών Επιστημών θα εξορθολογίσει τη δουλειά τους και θα τους φέρει πιο κοντά για αποτελεσματική συνεργασία και πειραματικές μελέτες.

«Προς το παρόν, πρέπει να κατεβούμε αρκετούς διαδρόμους για να φτάσουμε από το εργαστήριο μαλακής προσγείωσης ιόντων στα βασικά όργανα χαρακτηρισμού», είπε ο Murugesan. Αν και αυτό μπορεί να μην φαίνεται μακριά, αυτός ο σύντομος περίπατος προκαλεί προβλήματα στα εξαιρετικά ευαίσθητα και αντιδραστικά δείγματά τους. Οι ερευνητές πρέπει να χρησιμοποιήσουν μια ειδική «βαλίτσα κενού» για τη μεταφορά των δειγμάτων, ακόμη και στο διάδρομο.

«Στο Κέντρο Ενεργειακών Επιστημών, τα εργαστήριά μας θα είναι το ένα δίπλα στο άλλο», είπε ο Prabhakaran. «Θα έχουμε μια συνδετική πόρτα!» Η σημαντικά μικρότερη διαδρομή από όργανο σε όργανο σημαίνει λιγότερο χρόνο για πιθανή υποβάθμιση ή μόλυνση του δείγματος.

Μια πρόσφατη καινοτομία που έχει ενθουσιάσει την ομάδα περιλαμβάνει την ταυτόχρονη επιλογή και εναπόθεση δύο ειδών ιόντων, ενός θετικού και ενός αρνητικού. Αυτή η προσέγγιση δημιουργεί ένα πιο ρεαλιστικό μοντέλο συσκευών αποθήκευσης ενέργειας. Τα διαφορετικά ιόντα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με την επιφάνεια, επιτρέποντας στην ομάδα να συλλάβει τη δράση στη διεπαφή.

Ορισμένες από τις εργασίες που αναφέρονται σε αυτό το άρθρο υποστηρίχθηκαν ως μέρος του JCESR, ενός Κόμβου Ενεργειακής Καινοτομίας που χρηματοδοτείται από το πρόγραμμα DOE, Office of Science, Basic Energy Sciences. Έγινε σε συνεργασία με το Texas A&M University. Εκτός από τους Johnson, Murugesan και Prabhakaran, άλλοι συγγραφείς PNNL είναι οι Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Sunthampillai Thevuthasan και Karl Mueller. Μέρος της εργασίας εκτελέστηκε στο Εργαστήριο Μοριακών Επιστημών Περιβάλλοντος, μια Εθνική Επιστημονική Υπηρεσία Χρηστών. Οι μελλοντικές εργασίες θα συνεχιστούν στο Κέντρο Ενεργειακών Επιστημών.

 

Εκτιμάτε την πρωτοτυπία της CleanTechnica; Σκεφτείτε να γίνετε Μέλος, υποστηρικτής, τεχνικός ή πρέσβης της CleanTechnica - ή ένας προστάτης Πατρέων.

 

 

---

Διαφήμιση  

---

---

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