Using Ion Soft Landing To Solve Hard Energy Problems

Ripubblicato da Platone

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Per gentile concessione di Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

Ogni tecnologia che gestisce il nostro mondo richiede energia su richiesta. L’energia deve essere immagazzinata ed essere accessibile per alimentare dispositivi elettronici ed edifici leggeri. L’ampia gamma di dispositivi che richiedono energia su richiesta ha portato allo sviluppo di numerose strategie per immagazzinare energia.

Molti stoccaggio di energia i dispositivi combinano processi chimici ed elettrici per convertire l'energia da una forma all'altra. Questo processo si traduce in un'interfaccia—il luogo dell'azione dove due materiali diversi si incontrano e si trasformano. Per realizzare dispositivi di stoccaggio dell’energia più efficienti e più duraturi, gli scienziati devono controllare ciò che accade su e vicino a queste interfacce. Ma non è facile.

"La maggior parte della ricerca crea un'interfaccia complicata e quindi utilizza tecniche di caratterizzazione avanzate per cercare di capirla", ha affermato Grant Johnson, un chimico at Laboratorio nazionale nord-occidentale del Pacifico (PNNL) che guida il programma di Scienze della Separazione. “In confronto, non realizziamo l'intera interfaccia. Prepariamo ogni pezzo separatamente, il che ci permette di studiare i singoli componenti e come si formano”.

Il loro approccio è chiamato atterraggio morbido ionico. La tecnica consente agli scienziati di vedere come le singole molecole cariche, o ioni, che esistono nelle reali interfacce di accumulo dell'energia, interagiscono con la superficie di un elettrodo e un potenziale elettrico. Semplifica le interfacce disordinate che esistono nei sistemi di accumulo di energia reali in sistemi separati con un solo tipo di ione e la superficie. I ricercatori possono quindi studiare il ruolo svolto da ciascuna molecola nella creazione dell'interfaccia.

La configurazione personalizzata consente ai ricercatori di eseguire esperimenti di atterraggio morbido con ioni. (Foto di Andrea Starr | Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale)

Ioni che atterrano dolcemente per studi mirati sullo stoccaggio dell'energia

L'atterraggio morbido degli ioni consente ai ricercatori di selezionare un singolo tipo specifico di ione in base alla carica e alle dimensioni. Gli ioni scelti poi atterrano delicatamente su una superficie conduttiva. Questo processo prepara un'interfaccia definita con precisione caratteristica delle reazioni delle molecole selezionate e del materiale superficiale.

Una volta preparata l'interfaccia, i ricercatori possono utilizzare altri strumenti per esaminare come interagiscono la superficie e la molecola. Questa caratterizzazione rivela informazioni sulla natura dei legami chimici rotti e formati all'interfaccia.

I sistemi agli ioni di litio, che alimentano molti dei nostri dispositivi elettronici, potrebbero essere i dispositivi di accumulo di energia più familiari. Il gruppo di ricerca del PNNL, tuttavia, sta esplorando sistemi di stoccaggio dell’energia ancora più efficienti e potenzialmente trasformativi. Questi includono gli ioni litio-zolfo, i solidi a base di litio e il superamento della chimica del litio. Per questa ricerca, il team inizia con una soluzione elettrolitica di molecole e ioni selezionati, come vari solfuri di litio, su litio metallico con una superficie ricca di ossigeno.

L'hanno scoperto di recente in un modo gli ioni litio-zolfo caricati negativamente svolgono un ruolo chiave nel funzionamento di questi nuovi dispositivi di accumulo di energia alle interfacce. Hanno scoperto che gli ioni subiscono molteplici reazioni incentrate sulla chimica di riduzione e ossidazione dello zolfo, piuttosto che del litio.

I risultati spiegano la natura dei legami zolfo-ossigeno e delle relative molecole reagite osservate nei dispositivi di stoccaggio dell'energia. Il lavoro di atterraggio morbido degli ioni fornisce una spiegazione a livello molecolare del motivo per cui esistono forme ossidate di zolfo nelle interfacce litio-zolfo. Comprendere esattamente come questi importanti ioni si trasformano in materiali solidi in un'interfaccia modello aiuta i ricercatori a scomporre le complicate interfacce nei dispositivi reali.

"Ogni volta che esploriamo come reagisce un singolo tipo di molecola, impariamo qualcosa di nuovo che costruisce una conoscenza collettiva sulla formazione dell'interfaccia", ha affermato Johnson.

Dare una sbirciatina al substrato dopo l'atterraggio morbido degli ioni. (Foto di Andrea Starr | Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale)

Comprendere le interfacce coinvolte nello stoccaggio dell'energia

Originariamente, i ricercatori del PNNL hanno sviluppato le loro capacità di atterraggio morbido ionico con il supporto del programma Basic Energy Sciences Separation Science del Dipartimento dell'Energia (DOE). Attraverso quel programma, ingegnere chimico Venky Prabhakaran ha utilizzato l'atterraggio morbido ionico per studiare le interfacce elettrochimicamente attive per le separazioni. Tuttavia, voleva vedere cosa poteva fare la tecnica oltre i sistemi di separazione. Un incontro con fisico Vijay Murugesan alcuni anni fa ha portato all'ingresso degli ioni soft landing nel mondo dello stoccaggio dell'energia. Murugesan guida un'area di interesse per il Centro comune per la ricerca sullo stoccaggio dell'energia (JCESR), un polo di innovazione del DOE.

"Un giorno ho avuto un incontro con Vijay su qualcos'altro e abbiamo iniziato a parlare della nostra ricerca", ha detto Prabhakaran. “Ci siamo subito resi conto che l’atterraggio morbido degli ioni potrebbe essere uno strumento importante per aiutare a rispondere alle domande chiave nell’area di interesse del JCESR guidata da Vijay”.

L'imminente trasferimento del team all'Energy Sciences Center semplificherà il loro lavoro e li avvicinerà per una collaborazione efficiente e studi sperimentali.

“Attualmente, dobbiamo percorrere diversi corridoi per passare dal laboratorio di atterraggio morbido degli ioni agli strumenti chiave di caratterizzazione”, ha affermato Murugesan. Anche se potrebbe non sembrare lontano, quella breve passeggiata causa problemi ai loro campioni altamente sensibili e reattivi. I ricercatori devono utilizzare una speciale “valigia sottovuoto” per trasportare i campioni, anche in fondo al corridoio.

“Nell’Energy Sciences Center, i nostri laboratori saranno uno accanto all’altro”, ha affermato Prabhakaran. "Avremo una porta comunicante!" Il percorso significativamente più breve da uno strumento all'altro significa meno tempo per la possibile degradazione o contaminazione del campione.

Una recente innovazione che ha entusiasmato il team prevede la selezione e il deposito simultanei di due tipi di ioni, uno positivo e uno negativo. Questo approccio crea un modello più realistico dei dispositivi di accumulo dell'energia. I diversi ioni interagiscono tra loro e con la superficie, consentendo al team di catturare l'azione all'interfaccia.

Parte del lavoro menzionato in questo articolo è stato sostenuto nell'ambito di JCESR, un Energy Innovation Hub finanziato dal programma DOE, Office of Science, Basic Energy Sciences. È stato realizzato in collaborazione con la Texas A&M University. Oltre a Johnson, Murugesan e Prabhakaran, altri autori del PNNL sono Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan e Karl Mueller. Parte del lavoro è stata eseguita presso il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, una struttura scientifica nazionale per gli utenti. Il lavoro futuro continuerà presso il Centro di scienze energetiche.

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