Ion-pehmeän laskun käyttäminen kovien energiaongelmien ratkaisemiseen

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Kohteliaisuus Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

Jokainen maailmaamme pyörittävä tekniikka vaatii energiaa tarpeen mukaan. Energiaa on varastoitava ja sen on oltava sähkölaitteiden ja kevyiden rakennusten saatavilla. Laaja valikoima laitteita, jotka vaativat energiaa tarpeen mukaan, ovat johtaneet lukuisten energian varastointistrategioiden kehittämiseen.

Paljon energian varastointi laitteet yhdistävät kemiallisia ja sähköisiä prosesseja energian muuntamiseksi muodosta toiseen. Tämä prosessi johtaa käyttöliittymään-toimintapaikka, jossa kaksi erilaista materiaalia kohtaavat ja muuttuvat. Tehokkaiden ja pidempään kestävien energian varastointilaitteiden tekemiseksi tutkijoiden on valvottava, mitä näissä rajapinnoissa ja niiden lähellä tapahtuu. Mutta se ei ole helppoa.

"Useimmat tutkimukset tekevät monimutkaisen käyttöliittymän ja käyttävät sitten kehittyneitä karakterisointitekniikoita yrittääkseen ymmärtää sitä", sanoi Grant Johnson, kemisti at Tyynenmeren luoteisen kansallinen laboratorio (PNNL) joka johtaa Separation Science -ohjelmaa. ”Verrattuna emme tee koko käyttöliittymää. Valmistamme jokaisen kappaleen erikseen, jolloin voimme tutkia yksittäisiä komponentteja ja niiden muodostumista.

Niiden lähestymistapaa kutsutaan ionipehmeäksi laskuksi. Tekniikka antaa tutkijoille mahdollisuuden nähdä, kuinka yksittäiset varautuneet molekyylit tai ionit, jotka ovat olemassa todellisissa energian varastointirajapinnoissa, ovat vuorovaikutuksessa elektrodin pinnan ja sähköpotentiaalin kanssa. Se yksinkertaistaa todellisissa energian varastointijärjestelmissä esiintyvät sotkuiset rajapinnat erillisiksi järjestelmiksi, joissa on vain yksi ionityyppi ja pinta. Tutkijat voivat sitten tutkia kunkin molekyylin roolia käyttöliittymän luomisessa.

Räätälöidyn asennuksen avulla tutkijat voivat suorittaa ionipehmeän laskun kokeita. (Kuva Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Pehmeästi laskeutuvat ionit kohdennettuihin energian varastointitutkimuksiin

Ionipehmeän laskun avulla tutkijat voivat valita yhden tietyn ionityypin varauksen ja koon mukaan. Valitut ionit laskeutuvat sitten kevyesti johtavalle pinnalle. Tämä prosessi valmistaa tarkasti määritellyn rajapinnan ominaisuuden valittujen molekyylien ja pintamateriaalin reaktioista.

Kun rajapinta on valmis, tutkijat voivat käyttää muita välineitä tutkiakseen, kuinka pinta ja molekyyli ovat vuorovaikutuksessa. Tämä karakterisointi paljastaa tietoa rajapinnassa katkenneiden ja muodostuneiden kemiallisten sidosten luonteesta.

Litiumionijärjestelmät, jotka syöttävät monia elektroniikkaamme, voivat olla tutuimpia energian varastointilaitteita. PNNL-tutkimusryhmä kuitenkin tutkii entistä tehokkaampia ja mahdollisesti muuntuvia energian varastointijärjestelmiä. Näitä ovat litium-rikki-ionit, litiumpohjaiset kiinteät aineet ja siirtyminen litiumkemian ulkopuolelle. Tätä tutkimusta varten ryhmä aloittaa molekyylien ja pehmeiden ionien, kuten erilaisten litiumsulfidien, elektrolyyttiliuoksella litiummetallin pinnalla, jossa on runsaasti happea.

He löysivät hiljattain yksi tapa negatiivisesti varautuneilla litium-rikki-ioneilla on keskeinen rooli näiden uusien energian varastointilaitteiden toiminnassa rajapinnoilla. He havaitsivat, että ionit käyvät läpi useita reaktioita, jotka keskittyvät rikin pelkistys- ja hapetuskemiaan litiumin sijaan.

Löydökset selittävät energian varastointilaitteissa havaittujen rikki-happisidosten ja niihin liittyvien reagoineiden molekyylien luonteen. Ionipehmeä lasku tarjoaa molekyylitason selityksen sille, miksi rikin hapettuneita muotoja esiintyy litium-rikkirajapinnoissa. Ymmärtäminen tarkasti, kuinka nämä tärkeät ionit muuttuvat kiinteiksi materiaaleiksi mallirajapinnassa, auttaa tutkijoita hajottamaan monimutkaisia rajapintoja todellisissa laitteissa.

"Joka kerta kun tutkimme, kuinka yksittäinen molekyylityyppi reagoi, opimme jotain uutta, joka rakentaa kollektiivista tietoa rajapintojen muodostumisesta", Johnson sanoi.

Vilkaisemalla alustaa ionien pehmeän laskeutumisen jälkeen. (Kuva Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Energian varastointiin liittyvien rajapintojen ymmärtäminen

Alun perin PNNL-tutkijat kehittivät ionien pehmeän laskeutumisen kykyjään Energiaministeriön (DOE) Basic Energy Sciences -erotteluohjelman tuella. Sen ohjelman kautta kemian insinööri Venky Prabhakaran käytti ionien pehmeää laskua tutkiakseen sähkökemiallisesti aktiivisia rajapintoja erotuksiin. Hän halusi kuitenkin nähdä, mitä tekniikka voisi tehdä erotusjärjestelmien lisäksi. Tapaaminen kanssa fyysikko Vijay Murugesan muutama vuosi sitten toi ionipehmeän laskun sisäänkäynnin energian varastoinnin maailmaan. Murugesan johtaa painopistealuetta Energian varastointitutkimuksen yhteinen keskus (JCESR), DOE:n innovaatiokeskus.

"Eräänä päivänä tapasin Vijayn jostakin muusta ja aloimme puhua tutkimuksestamme", sanoi Prabhakaran. "Ymmärsimme nopeasti, että ionien pehmeä lasku saattaa olla tärkeä työkalu, joka auttaa vastaamaan avainkysymyksiin Vijayn johdolla JCESR:n painopistealueella."

Tiimin tuleva muutto Energiatieteiden keskukseen virtaviivaistaa heidän työtään ja lähentää heidät tehokkaaseen yhteistyöhön ja kokeellisiin tutkimuksiin.

"Tällä hetkellä meidän on kuljettava useita käytäviä päästäksemme ionipehmeän laskun laboratoriosta tärkeimpiin karakterisointiinstrumentteihin", Murugesan sanoi. Vaikka se ei ehkä näytä kaukaiselta, lyhyt kävelymatka aiheuttaa ongelmia heidän erittäin herkille ja reaktiivisille näytteille. Tutkijoiden on käytettävä erityistä "tyhjiömatkalaukkua" näytteiden kuljettamiseen jopa käytävällä.

"Energiatiedekeskuksessa laboratoriomme ovat aivan vierekkäin", sanoi Prabhakaran. "Meillä on väliovi!" Huomattavasti lyhyempi kävelymatka instrumentista instrumenttiin tarkoittaa vähemmän aikaa mahdolliselle näytteen hajoamiselle tai kontaminaatiolle.

Viimeaikainen innovaatio, joka on innostunut ryhmästä, sisältää kahden tyyppisen ionin, yhden positiivisen ja toisen negatiivisen, samanaikaisen valinnan ja tallettamisen. Tämä lähestymistapa luo realistisemman mallin energian varastointilaitteista. Eri ionit ovat vuorovaikutuksessa toistensa ja pinnan kanssa, jolloin ryhmä voi vangita toiminnan rajapinnassa.

Joitakin tässä artikkelissa mainituista töistä tuettiin osana JCESR:ää, energiainnovaatiokeskusta, jota rahoitti DOE:n Office of Science, Basic Energy Sciences -ohjelma. Se tehtiin yhteistyössä Texas A&M Universityn kanssa. Johnsonin, Murugesanin ja Prabhakaranin lisäksi muita PNNL-kirjoittajia ovat Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan ja Karl Mueller. Osa työstä tehtiin Environmental Molecular Sciences Laboratoriossa, National Scientific User Facility. Tulevaisuudessa työ jatkuu Energiatieteiden keskuksessa.

Arvostatko CleanTechnican omaperäisyyttä? Harkitse tulla CleanTechnican jäsen, tukija, teknikko tai suurlähettiläs - tai suojelija Patreon.