Using Ion Soft Landing To Solve Hard Energy Problems

Reeditado por Platón

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Cortesía Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy

Cada tecnología que hace funcionar nuestro mundo requiere energía bajo demanda. La energía debe almacenarse y ser accesible para alimentar dispositivos electrónicos y edificios ligeros. La amplia gama de dispositivos que requieren energía bajo demanda ha llevado al desarrollo de numerosas estrategias para almacenar energía.

Muchos almacen de energia Los dispositivos combinan procesos químicos y eléctricos para convertir la energía de una forma a otra. Este proceso da como resultado una interfaz—el lugar de acción donde dos materiales diferentes se encuentran y se transforman. Para hacer dispositivos de almacenamiento de energía más eficientes y duraderos, los científicos deben controlar lo que sucede en estas interfaces y cerca de ellas. Pero eso no es fácil.

“La mayoría de las investigaciones crean una interfaz complicada y luego usan técnicas de caracterización avanzadas para tratar de comprenderla”, dijo Grant Johnson, un químico at Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) quien dirige el programa de Ciencias de la Separación. “En comparación, no hacemos toda la interfaz. Preparamos cada pieza por separado, lo que nos permite estudiar los componentes individuales y cómo se forman”.

Su enfoque se llama aterrizaje suave de iones. La técnica permite a los científicos ver cómo las moléculas individuales cargadas, o iones, que existen en las interfaces de almacenamiento de energía real interactúan con la superficie de un electrodo y un potencial eléctrico. Simplifica las interfaces desordenadas que existen en los sistemas de almacenamiento de energía real en sistemas separados con solo un tipo de ion y la superficie. Luego, los investigadores pueden investigar el papel que juega cada molécula en la creación de la interfaz.

La configuración personalizada permite a los investigadores realizar experimentos de aterrizaje suave de iones. (Foto de Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

Iones de aterrizaje suave para estudios específicos en almacenamiento de energía

El aterrizaje suave de iones permite a los investigadores seleccionar un tipo único y específico de iones por carga y tamaño. Los iones elegidos luego aterrizan suavemente sobre una superficie conductora. Este proceso prepara una característica de interfaz definida con precisión de las reacciones de las moléculas seleccionadas y el material de la superficie.

Una vez que se prepara la interfaz, los investigadores pueden usar otros instrumentos para examinar cómo interactúan la superficie y la molécula. Esta caracterización revela información sobre la naturaleza de los enlaces químicos rotos y formados en la interfase.

Los sistemas de iones de litio, que alimentan muchos de nuestros dispositivos electrónicos, pueden ser los dispositivos de almacenamiento de energía más familiares. Sin embargo, el equipo de investigación del PNNL está explorando sistemas de almacenamiento de energía aún más eficientes y potencialmente transformadores. Estos incluyen iones de litio-azufre, sólidos a base de litio y más allá de la química del litio. Para esta investigación, el equipo comienza con una solución electrolítica de moléculas e iones seleccionados de tierras blandas, como varios sulfuros de litio, en metal de litio con una superficie rica en oxígeno.

Recientemente descubrieron una forma en que los iones de litio-azufre cargados negativamente juegan un papel clave en la operación de estos nuevos dispositivos de almacenamiento de energía en las interfaces. Descubrieron que los iones experimentan múltiples reacciones centradas en la química de reducción y oxidación del azufre, en lugar del litio.

Los hallazgos explican la naturaleza de los enlaces azufre-oxígeno y las moléculas reaccionadas relacionadas que se observan en los dispositivos de almacenamiento de energía. El trabajo de aterrizaje suave de iones proporciona una explicación a nivel molecular de por qué existen formas oxidadas de azufre en las interfaces de litio-azufre. Comprender exactamente cómo estos iones importantes se convierten en materiales sólidos en una interfaz modelo ayuda a los investigadores a desglosar las interfaces complicadas en dispositivos reales.

“Cada vez que exploramos cómo reacciona un tipo individual de molécula, aprendemos algo nuevo que genera conocimiento colectivo sobre la formación de interfaces”, dijo Johnson.

Echando un vistazo a un sustrato después del aterrizaje suave de iones. (Foto de Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico)

Comprender las interfaces involucradas en el almacenamiento de energía

Originalmente, los investigadores del PNNL desarrollaron sus capacidades de aterrizaje suave de iones con el apoyo del programa de Ciencias de Separación de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía (DOE). A través de ese programa, ingeniero químico Venky Prabhakaran utilizó el aterrizaje suave de iones para estudiar interfaces electroquímicamente activas para separaciones. Sin embargo, quería ver qué podía hacer la técnica más allá de los sistemas de separación. una reunión con físico Vijay Murugesan hace unos años provocó la entrada de ion soft landing en el mundo del almacenamiento de energía. Murugesan lidera un área de enfoque para el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR), un centro de innovación del DOE.

“Un día tuve una reunión con Vijay sobre otra cosa y comenzamos a hablar sobre nuestra investigación”, dijo Prabhakaran. "Nos dimos cuenta rápidamente de que el aterrizaje suave de iones podría ser una herramienta importante para ayudar a responder preguntas clave en el área de enfoque de JCESR que lidera Vijay".

El próximo traslado del equipo al Centro de Ciencias de la Energía agilizará su trabajo y los acercará para una colaboración eficiente y estudios experimentales.

“Actualmente, tenemos que recorrer varios pasillos para ir del laboratorio de aterrizaje suave de iones a los instrumentos de caracterización clave”, dijo Murugesan. Si bien eso puede no parecer muy lejos, esa corta caminata causa problemas para sus muestras altamente sensibles y reactivas. Los investigadores tienen que usar una “maleta de vacío” especial para transportar las muestras, incluso al final del pasillo.

“En el Centro de Ciencias de la Energía, nuestros laboratorios estarán uno al lado del otro”, dijo Prabhakaran. "¡Tendremos una puerta de conexión!" La caminata significativamente más corta de un instrumento a otro significa menos tiempo para la posible degradación o contaminación de la muestra.

Una innovación reciente que entusiasma al equipo consiste en seleccionar y depositar simultáneamente dos tipos de iones, uno positivo y otro negativo. Este enfoque crea un modelo más realista de dispositivos de almacenamiento de energía. Los diferentes iones interactúan entre sí y con la superficie, lo que permite al equipo capturar la acción en la interfaz.

Parte del trabajo mencionado en este artículo fue apoyado como parte de JCESR, un Centro de Innovación Energética financiado por el programa de Ciencias Energéticas Básicas de la Oficina de Ciencias del DOE. Se realizó en colaboración con la Universidad de Texas A&M. Además de Johnson, Murugesan y Prabhakaran, otros autores de PNNL son Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan y Karl Mueller. Parte del trabajo fue realizado en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una Instalación Nacional de Usuarios Científicos. El trabajo futuro continuará en el Centro de Ciencias de la Energía.

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