Ion Soft Landing használata kemény energiaproblémák megoldására

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Jóvoltából Csendes-óceán északnyugati nemzeti laboratóriuma.
By Beth Mundy, PNNL

A világunkat működtető minden technológia igény szerinti energiát igényel. Az energiát tárolni kell, és elérhetőnek kell lennie az elektromos berendezések és a könnyű épületek számára. Az igény szerinti energiát igénylő eszközök széles választéka számos energiatárolási stratégia kidolgozásához vezetett.

Sok energiatároló az eszközök kémiai és elektromos folyamatokat kombinálnak az energia egyik formából a másikba történő átalakítására. Ez a folyamat interfészt eredményez—a cselekvés helye, ahol két különböző anyag találkozik és átalakul. Ahhoz, hogy hatékonyabb, hosszabb élettartamú energiatároló eszközöket készítsenek, a tudósoknak ellenőrizniük kell, mi történik ezeken az interfészeken és azok közelében. De ez nem könnyű.

„A legtöbb kutatás bonyolult interfészt hoz létre, majd fejlett jellemzési technikákat használ annak megértésére” – mondta Grant Johnson, vegyész at Csendes-óceáni Északnyugati Nemzeti Laboratórium (PNNL) aki az Elválasztástudományi programot vezeti. „Ehhez képest nem mi készítjük el a teljes felületet. Minden darabot külön-külön készítünk el, ami lehetővé teszi, hogy tanulmányozzuk az egyes komponenseket és azok formálását.”

Megközelítésüket ion lágy landolásnak nevezik. A technika lehetővé teszi a tudósok számára, hogy meglássák, hogyan lépnek kölcsönhatásba az egyes töltött molekulák vagy ionok, amelyek a valódi energiatároló felületeken léteznek, az elektróda felületével és az elektromos potenciállal. Leegyszerűsíti a valós energiatároló rendszerekben létező zűrzavaros interfészeket különálló rendszerekké, amelyek egyetlen típusú iont és felületet tartalmaznak. A kutatók ezután megvizsgálhatják, hogy az egyes molekulák milyen szerepet játszanak az interfész létrehozásában.

Az egyedi összeállítás lehetővé teszi a kutatók számára, hogy ion-lágy landolási kísérleteket végezzenek. (Fotó: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Lágyan leszálló ionok az energiatárolás célzott tanulmányozására

Az ion lágy landolása lehetővé teszi a kutatóknak, hogy egyetlen, meghatározott típusú iont válasszanak ki töltés és méret alapján. A kiválasztott ionok ezután finoman landolnak egy vezető felületen. Ez az eljárás a kiválasztott molekulák és felületi anyag reakcióira egy pontosan meghatározott határfelületet készít.

A felület előkészítése után a kutatók más eszközökkel is megvizsgálhatják, hogyan hatnak egymásra a felület és a molekula. Ez a jellemzés információkat tár fel a határfelületen megszakadt és kialakult kémiai kötések természetéről.

A lítium-ion rendszerek, amelyek sok elektronikánkat táplálják, a legismertebb energiatároló eszközök lehetnek. A PNNL kutatócsoportja azonban még hatékonyabb és potenciálisan átalakuló energiatároló rendszereket kutat. Ide tartoznak a lítium-kén ionok, a lítium alapú szilárd anyagok, és a lítiumkémia túllépése. Ehhez a kutatáshoz a csapat molekulák elektrolitoldatával kezd, és kiválasztott ionokat, például különféle lítium-szulfidokat, oxigénben gazdag felületű fémre helyez.

Nemrég fedezték fel Egyrészt a negatív töltésű lítium-kén ionok kulcsszerepet játszanak ezen új energiatároló eszközök interfészeken történő működésében. Azt találták, hogy az ionok több reakción mennek keresztül, amelyek középpontjában a kén redukciós és oxidációs kémiája áll, nem pedig a lítium.

Az eredmények magyarázatot adnak az energiatároló eszközökben megfigyelt kén-oxigén kötések és a kapcsolódó reakcióba lépő molekulák természetére. Az ion lágy landolási munka molekuláris szintű magyarázatot ad arra, hogy miért léteznek a kén oxidált formái a lítium-kén határfelületeken. Annak megértése, hogy ezek a fontos ionok pontosan hogyan alakulnak szilárd anyagokká egy modellinterfészen, segít a kutatóknak lebontani a bonyolult interfészek valós eszközökben.

„Minden alkalommal, amikor megvizsgáljuk, hogyan reagál egy adott molekulatípus, valami újat tanulunk, ami kollektív tudást épít az interfész kialakításáról” – mondta Johnson.

Vessen egy pillantást egy szubsztrátumra az ion lágy landolása után. (Fotó: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Az energiatárolásban résztvevő interfészek megértése

Eredetileg a PNNL kutatói az Energiaügyi Minisztérium (DOE) Alapvető Energiatudományok Elválasztástudományi programjának támogatásával fejlesztették ki ion-lágy landolási képességeiket. A programon keresztül vegyészmérnök Venky Prabhakaran ion lágy landolást használt az elektrokémiailag aktív interfészek tanulmányozására az elválasztásokhoz. Azonban látni akarta, mire képes ez a technika az elválasztó rendszereken túl. Találkozás vele Vijay Murugesan fizikus néhány évvel ezelőtt meghozta az ionok lágy landolását az energiatárolás világába. Murugesan a fókuszterületet vezeti a Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), a DOE innovációs központja.

„Egy nap találkoztam Vijay-vel valami másról, és elkezdtünk beszélgetni a kutatásunkról” – mondta Prabhakaran. „Gyorsan rájöttünk, hogy az ionos lágy landolás fontos eszköz lehet a kulcskérdések megválaszolásában a JCESR Vijay által irányított fókuszterületén.”

A csapat közelgő költözése az Energiatudományi Központba leegyszerűsíti munkájukat, és közelebb hozza őket egymáshoz a hatékony együttműködés és a kísérleti tanulmányok érdekében.

„Jelenleg több folyosón kell végigmennünk, hogy az ion-lágy landolási laboratóriumtól a kulcsfontosságú jellemzési műszerekig jussunk” – mondta Murugesan. Bár ez nem tűnik messze, ez a rövid séta problémákat okoz a rendkívül érzékeny és reaktív mintáik számára. A kutatóknak speciális „vákuumbőröndöt” kell használniuk a minták szállításához, akár a folyosón is.

„Az Energiatudományi Központban a laborjaink egymás mellett lesznek” – mondta Prabhakaran. – Lesz összekötő ajtónk! A lényegesen rövidebb séta a műszertől a műszerig azt jelenti, hogy kevesebb időt vesz igénybe a minta esetleges lebomlása vagy szennyeződése.

A közelmúltban a csapatot izgatott újítás magában foglalja kétféle ion egyidejű kiválasztását és lerakását, egy pozitív és egy negatív iont. Ez a megközelítés valósághűbb modellt hoz létre az energiatároló eszközökről. A különböző ionok kölcsönhatásba lépnek egymással és a felülettel, lehetővé téve a csapat számára, hogy rögzítse a határfelületen zajló eseményeket.

A cikkben említett munkák egy részét a JCESR, a DOE Tudományos Hivatala, az Alapvető Energiatudományok programja által finanszírozott energiainnovációs központ részeként támogatták. A Texas A&M Egyetemmel együttműködve készült. Johnson, Murugesan és Prabhakaran mellett a PNNL további szerzői Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan és Karl Mueller. A munka egy részét elvégezték a Környezetmolekuláris Tudományok Laboratóriumában, a National Scientific User Facility. A jövőbeni munka az Energiatudományi Központban folytatódik.

Értékeli a CleanTechnica eredetiségét? Fontolja meg, hogy a CleanTechnica tag, támogató, technikus vagy nagykövet - vagy mecénás Patreon.