Menggunakan Ion Soft Landing Untuk Memecahkan Masalah Energi Keras

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Courtesy of Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

Setiap teknologi yang menjalankan dunia kita membutuhkan energi sesuai permintaan. Energi harus disimpan dan dapat diakses oleh perangkat elektronik daya dan bangunan ringan. Berbagai macam perangkat yang membutuhkan energi sesuai permintaan telah menyebabkan pengembangan berbagai strategi untuk menyimpan energi.

Banyak penyimpanan energi perangkat menggabungkan proses kimia dan listrik untuk mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Proses ini menghasilkan sebuah antarmuka—tempat aksi di mana dua bahan berbeda bertemu dan berubah. Untuk membuat perangkat penyimpanan energi yang lebih efisien dan tahan lama, para ilmuwan perlu mengontrol apa yang terjadi pada dan di dekat antarmuka ini. Tapi itu tidak mudah.

“Kebanyakan penelitian membuat antarmuka yang rumit dan kemudian menggunakan teknik karakterisasi lanjutan untuk mencoba memahaminya,” kata Grant Johnson, seorang ahli kimia at Laboratorium Nasional Barat Laut Pasifik (PNNL) yang memimpin program Ilmu Pemisahan. “Sebagai perbandingan, kami tidak membuat seluruh antarmuka. Kami menyiapkan setiap bagian secara terpisah, yang memungkinkan kami mempelajari masing-masing komponen dan bagaimana mereka terbentuk.”

Pendekatan mereka disebut ion soft landing. Teknik ini memungkinkan para ilmuwan untuk melihat bagaimana molekul bermuatan individu, atau ion, yang ada pada antarmuka penyimpanan energi nyata berinteraksi dengan permukaan elektroda dan potensial listrik. Ini menyederhanakan antarmuka berantakan yang ada dalam sistem penyimpanan energi nyata menjadi sistem terpisah hanya dengan satu jenis ion dan permukaan. Para peneliti kemudian dapat menyelidiki peran yang dimainkan setiap molekul dalam menciptakan antarmuka.

Penyiapan yang dibuat khusus memungkinkan peneliti untuk melakukan eksperimen pendaratan lunak ion. (Foto oleh Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Mendarat dengan lembut untuk studi yang ditargetkan dalam penyimpanan energi

Ion soft landing memungkinkan para peneliti untuk memilih satu jenis ion tertentu berdasarkan muatan dan ukurannya. Ion yang dipilih kemudian mendarat dengan lembut pada permukaan konduktif. Proses ini menyiapkan karakteristik antarmuka yang ditentukan dengan tepat dari reaksi molekul dan bahan permukaan yang dipilih.

Setelah antarmuka disiapkan, peneliti dapat menggunakan instrumen lain untuk memeriksa bagaimana permukaan dan molekul berinteraksi. Karakterisasi ini mengungkapkan informasi tentang sifat ikatan kimia yang putus dan terbentuk pada antarmuka.

Sistem lithium-ion, yang memberi daya pada banyak perangkat elektronik kita, mungkin merupakan perangkat penyimpanan energi yang paling dikenal. Namun, tim peneliti PNNL sedang menjajaki sistem penyimpanan energi yang lebih efisien dan berpotensi transformatif. Ini termasuk ion lithium-sulfur, padatan berbasis lithium, dan bergerak di luar kimia lithium. Untuk penelitian ini, tim memulai dengan larutan elektrolit molekul dan tanah lunak ion terpilih, seperti berbagai lithium sulfida, pada logam lithium dengan permukaan yang kaya oksigen.

Mereka baru-baru ini ditemukan salah satu cara ion lithium-sulfur bermuatan negatif memainkan peran kunci dalam pengoperasian perangkat penyimpanan energi baru ini di antarmuka. Mereka menemukan bahwa ion mengalami beberapa reaksi yang berpusat pada kimia reduksi dan oksidasi belerang, bukan litium.

Temuan ini menjelaskan sifat ikatan sulfur-oksigen dan molekul reaksi terkait yang diamati dalam perangkat penyimpanan energi. Pekerjaan pendaratan lunak ion memberikan penjelasan tingkat molekuler mengapa bentuk sulfur teroksidasi ada di antarmuka lithium-sulfur. Memahami dengan tepat bagaimana ion penting ini berubah menjadi bahan padat pada antarmuka model membantu peneliti memecah antarmuka yang rumit di perangkat nyata.

“Setiap kali kami menjelajahi bagaimana suatu jenis molekul tertentu bereaksi, kami mempelajari sesuatu yang baru yang membangun pengetahuan kolektif tentang pembentukan antarmuka,” kata Johnson.

Mengintip substrat setelah pendaratan lunak ion. (Foto oleh Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Memahami antarmuka yang terlibat dalam penyimpanan energi

Awalnya, peneliti PNNL mengembangkan kemampuan ion soft landing mereka dengan dukungan dari program Ilmu Pemisahan Ilmu Energi Dasar Departemen Energi (DOE). Melalui program itu, insinyur kimia Venky Prabhakaran menggunakan ion soft landing untuk mempelajari antarmuka yang aktif secara elektrokimia untuk pemisahan. Namun, dia ingin melihat apa yang dapat dilakukan teknik tersebut di luar sistem pemisahan. Pertemuan dengan fisikawan Vijay Murugesan beberapa tahun yang lalu membawa masuknya ion soft landing ke dunia penyimpanan energi. Murugesan memimpin area fokus untuk Pusat Bersama untuk Penelitian Penyimpanan Energi (JCESR), Pusat Inovasi DOE.

“Suatu hari, saya mengadakan pertemuan dengan Vijay tentang hal lain dan kami mulai membicarakan penelitian kami,” kata Prabhakaran. “Kami segera menyadari bahwa pendaratan lunak ion mungkin menjadi alat penting untuk membantu menjawab pertanyaan kunci di area fokus JCESR yang dipimpin Vijay.”

Perpindahan tim yang akan datang ke Pusat Ilmu Energi akan merampingkan pekerjaan mereka dan mendekatkan mereka untuk kolaborasi yang efisien dan studi eksperimental.

“Saat ini, kami harus melewati beberapa koridor untuk pergi dari lab pendaratan lunak ion ke instrumen karakterisasi utama,” kata Murugesan. Meskipun kelihatannya tidak terlalu jauh, perjalanan singkat itu menyebabkan masalah bagi sampel mereka yang sangat sensitif dan reaktif. Para peneliti harus menggunakan “koper vakum” khusus untuk mengangkut sampel, bahkan ke lorong.

“Di Pusat Ilmu Energi, lab kami akan bersebelahan,” kata Prabhakaran. "Kami akan memiliki pintu penghubung!" Perjalanan yang jauh lebih singkat dari instrumen ke instrumen berarti lebih sedikit waktu untuk kemungkinan degradasi atau kontaminasi sampel.

Inovasi terbaru yang membuat tim bersemangat melibatkan pemilihan dan penyimpanan dua jenis ion secara bersamaan, satu positif dan satu negatif. Pendekatan ini menciptakan model perangkat penyimpanan energi yang lebih realistis. Ion yang berbeda berinteraksi satu sama lain dan permukaan, memungkinkan tim untuk menangkap aksi di antarmuka.

Beberapa pekerjaan yang disebutkan dalam artikel ini didukung sebagai bagian dari JCESR, Pusat Inovasi Energi yang didanai oleh program DOE, Office of Science, Basic Energy Sciences. Itu dilakukan bekerja sama dengan Texas A&M University. Selain Johnson, Murugesan, dan Prabhakaran, penulis PNNL lainnya adalah Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan, dan Karl Mueller. Bagian dari pekerjaan dilakukan di Laboratorium Ilmu Molekuler Lingkungan, Fasilitas Pengguna Ilmiah Nasional. Pekerjaan di masa depan akan dilanjutkan di Pusat Ilmu Energi.

Menghargai orisinalitas CleanTechnica? Pertimbangkan menjadi seorang Anggota, Pendukung, Teknisi, atau Duta CleanTechnica - atau pelindung Patreon.