שימוש בנחיתה רכה של יון כדי לפתור בעיות אנרגיה קשה

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

באדיבות המעבדה הלאומית הצפונית-מערבית של האוקיאנוס השקט.
By בת' מונדי, PNNL

כל טכנולוגיה שמנהלת את העולם שלנו דורשת אנרגיה לפי דרישה. אנרגיה חייבת להיות מאוחסנת ולהיות נגישה להפעלת מכשירים אלקטרוניים ומבנים קלים. המגוון הרחב של מכשירים הדורשים אנרגיה לפי דרישה הוביל לפיתוח של אסטרטגיות רבות לאגירת אנרגיה.

רב אחסון אנרגיה מכשירים משלבים תהליכים כימיים וחשמליים כדי להמיר אנרגיה מצורה אחת לאחרת. תהליך זה מביא לממשק-מקום הפעולה שבו שני חומרים שונים נפגשים ומתמירים. כדי ליצור התקני אחסון אנרגיה יעילים יותר ועמידים יותר, מדענים צריכים לשלוט במה שקורה בממשקים אלה ובסמוך להם. אבל זה לא קל.

"רוב המחקר מייצר ממשק מסובך ולאחר מכן משתמש בטכניקות אפיון מתקדמות כדי לנסות להבין אותו", אמר גרנט ג'ונסון, כימאי at המעבדה הלאומית הצפונית-מערבית השקטה (PNNL) מי שמוביל את תוכנית מדעי ההפרדה. "לשם השוואה, אנחנו לא יוצרים את כל הממשק. אנחנו מכינים כל יצירה בנפרד, מה שמאפשר לנו ללמוד את הרכיבים האישיים ואיך הם נוצרים".

הגישה שלהם נקראת נחיתה רכה של יונים. הטכניקה מאפשרת למדענים לראות כיצד מולקולות טעונות בודדות, או יונים, הקיימות בממשקי אחסון אנרגיה אמיתיים פועלות באינטראקציה עם משטח אלקטרודה ופוטנציאל חשמלי. זה מפשט את הממשקים המבולגנים הקיימים במערכות אחסון אנרגיה אמיתיות למערכות נפרדות עם סוג אחד בלבד של יון ומשטח. לאחר מכן החוקרים יכולים לחקור את התפקיד שממלאת כל מולקולה ביצירת הממשק.

המערך שנבנה בהתאמה אישית מאפשר לחוקרים לבצע ניסויי נחיתה רכה של יונים. (צילום מאת אנדריאה סטאר | המעבדה הלאומית של צפון מערב פסיפיק)

נחיתה רכה יונים למחקרים ממוקדים באחסון אנרגיה

נחיתה רכה של יונים מאפשרת לחוקרים לבחור סוג יחיד וספציפי של יון לפי מטען וגודל. היונים שנבחרו אז נוחתים בעדינות על משטח מוליך. תהליך זה מכין ממשק מוגדר במדויק המאפיין את התגובות של המולקולות הנבחרות וחומר פני השטח.

לאחר הכנת הממשק, החוקרים עשויים להשתמש במכשירים אחרים כדי לבחון כיצד המשטח והמולקולה מתקשרים. אפיון זה חושף מידע על אופי הקשרים הכימיים שנשברו ונוצרים בממשק.

מערכות ליתיום-יון, המפעילות רבות מהאלקטרוניקה שלנו, עשויות להיות התקני אחסון האנרגיה המוכרים ביותר. עם זאת, צוות המחקר של PNNL בוחן מערכות אחסון אנרגיה יעילות יותר ועלולות להפוך לשינויים. אלה כוללים יוני ליתיום-גופרית, מוצקים על בסיס ליתיום, ומעבר לכימיה של ליתיום. לצורך מחקר זה, הצוות מתחיל בתמיסת אלקטרוליט של מולקולות ויונים רכים שנבחרו, כמו ליתיום סולפידים שונים, על מתכת ליתיום עם משטח עשיר בחמצן.

הם גילו לאחרונה אחת הדרכים שיוני הליתיום-גופרית הטעונים שלילי ממלאים תפקיד מפתח בפעולת התקני אחסון האנרגיה החדשים הללו בממשקים. הם גילו שהיונים עוברים תגובות מרובות שבמרכזן כימיה הפחתת וחמצון של גופרית, ולא ליתיום.

הממצאים מסבירים את טבעם של קשרי הגופרית-חמצן והמולקולות הקשורות להגיב שנצפו במכשירי אחסון אנרגיה. עבודת הנחיתה הרכה של יונים מספקת הסבר ברמה המולקולרית מדוע קיימות צורות מחומצנות של גופרית בממשקי ליתיום-גופרית. ההבנה בדיוק כיצד היונים החשובים הללו הופכים לחומרים מוצקים בממשק מודל עוזרת לחוקרים לפרק את הממשקים המסובכים במכשירים אמיתיים.

"בכל פעם שאנו חוקרים כיצד סוג מסוים של מולקולה מגיב, אנו לומדים משהו חדש שבונה ידע קולקטיבי על היווצרות ממשק", אמר ג'ונסון.

הצצה למצע לאחר נחיתת יונים רכה. (צילום מאת אנדריאה סטאר | המעבדה הלאומית של צפון מערב פסיפיק)

הבנת הממשקים המעורבים באחסון אנרגיה

במקור, חוקרי PNNL פיתחו את יכולות הנחיתה הרכות של יונים עם תמיכה מתוכנית מדעי ההפרדה הבסיסיים של מדעי האנרגיה של המחלקה לאנרגיה (DOE). דרך אותה תוכנית, המהנדס הכימי Venky Prabhakaran השתמשו בנחיתה רכה של יונים כדי לחקור ממשקים פעילים מבחינה אלקטרוכימית להפרדות. עם זאת, הוא רצה לראות מה הטכניקה יכולה לעשות מעבר למערכות ההפרדה. פגישה עם הפיזיקאי ויג'אי מורוג'סן לפני מספר שנים הביאה נחיתת יונים רכה לכניסה לעולם אגירת האנרגיה. Murugesan מוביל אזור מיקוד עבור המרכז המשותף לחקר אגירת אנרגיה (JCESR), מרכז חדשנות של DOE.

"יום אחד, הייתה לי פגישה עם ויג'אי על משהו אחר והתחלנו לדבר על המחקר שלנו", אמר פרבהאקארן. "מהר מאוד הבנו שנחיתה רכה של יונים עשויה להיות כלי חשוב שיעזור לענות על שאלות מפתח באזור המיקוד של JCESR ויג'אי מוביל."

המעבר הקרוב של הצוות למרכז למדעי האנרגיה ייעל את עבודתם ויקרב אותם לשיתוף פעולה יעיל ומחקרים ניסיוניים.

"נכון לעכשיו, עלינו לרדת בכמה מסדרונות כדי להגיע ממעבדת הנחיתה הרכה ליונים למכשירי אפיון מפתח", אמר מורוג'סן. למרות שזה אולי לא נראה רחוק, ההליכה הקצרה הזו גורמת לבעיות עבור הדגימות הרגישות והתגובתיות שלהם. החוקרים צריכים להשתמש ב"מזוודת ואקום" מיוחדת כדי להעביר את הדגימות, אפילו במסדרון.

"במרכז למדעי האנרגיה, המעבדות שלנו יהיו ממש ליד זו", אמר פרבהאקארן. "תהיה לנו דלת מקשרת!" ההליכה הקצרה משמעותית ממכשיר למכשיר פירושה פחות זמן לפירוק או זיהום אפשרי של הדגימה.

חידוש אחרון שמרגש את הצוות כולל בחירה והפקדה בו-זמנית של שני סוגים של יונים, אחד חיובי ואחד שלילי. גישה זו יוצרת מודל ריאליסטי יותר של התקני אחסון אנרגיה. היונים השונים מקיימים אינטראקציה זה עם זה ועם פני השטח, מה שמאפשר לצוות ללכוד את הפעולה בממשק.

חלק מהעבודות המוזכרות במאמר זה נתמכו כחלק מ-JCESR, מרכז חדשנות באנרגיה הממומן על ידי התוכנית של DOE, Office of Science, Basic Sciences. זה נעשה בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת טקסס A&M. בנוסף לג'ונסון, Murugesan ו-Prabhakaran, מחברים נוספים של PNNL הם Ki Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan, וקארל מולר. חלק מהעבודה בוצע במעבדה למדעי מולקולרית הסביבה, מתקן לאומי למשתמשים מדעיים. העבודה העתידית תימשך במרכז למדעי האנרגיה.

מעריך את המקוריות של CleanTechnica? שקול להפוך ל חבר CleanTechnica, תומך, טכנאי או שגריר - או פטרון Patreon.