イオンのソフトランディングを使用してハードエネルギー問題を解決する

プラトン再発行

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私たちの世界を動かすあらゆるテクノロジーには、オンデマンドのエネルギーが必要です。エネルギーは貯蔵され、パワーエレクトロニクス機器や照明建物にアクセスできる必要があります。オンデマンドでエネルギーを必要とするデバイスは多岐にわたるため、エネルギーを貯蔵するための数多くの戦略が開発されてきました。

その他にもたくさんのグーグルのエネルギー貯蔵デバイスは、化学プロセスと電気プロセスを組み合わせて、エネルギーをある形式から別の形式に変換します。このプロセスによりインターフェイスが作成されます。- XNUMX つの異なる素材が出会い、変化する作用の場。より効率的で長持ちするエネルギー貯蔵デバイスを作成するには、科学者はこれらの界面および界面付近で何が起こるかを制御する必要があります。しかし、それは簡単ではありません。

「ほとんどの研究は複雑なインターフェースを作成し、高度な特性評価技術を使用してそれを理解しようとします」と氏は述べた。グラント・ジョンソン、化学者 at パシフィックノースウエスト国立研究所（PNNL）分離科学プログラムを主導する人物。「それに比べて、私たちはインターフェース全体を作っているわけではありません。私たちは各部品を別々に準備するので、個々のコンポーネントとそれらがどのように形成されるかを研究することができます。」

彼らのアプローチはイオンソフトランディングと呼ばれます。この技術により、科学者は、実際のエネルギー貯蔵界面に存在する個々の荷電分子、またはイオンが電極表面および電位とどのように相互作用するかを観察できるようになります。実際のエネルギー貯蔵システムに存在する煩雑なインターフェースを、XNUMX 種類のイオンと表面だけを備えた別個のシステムに簡素化します。研究者はその後、界面の形成において各分子が果たす役割を調査することができます。

カスタム構築されたセットアップにより、研究者はイオンのソフトランディング実験を行うことができます。 (写真提供：アンドレア・スター | パシフィック・ノースウェスト国立研究所)

エネルギー貯蔵における対象を絞った研究のためのイオンのソフトランディング

イオンのソフトランディングにより、研究者は電荷とサイズに基づいて単一の特定の種類のイオンを選択できます。選択されたイオンは、導電性表面に静かに着地します。このプロセスでは、選択した分子と表面材料の反応の正確に定義された界面特性が準備されます。

界面が準備されると、研究者は他の機器を使用して、表面と分子がどのように相互作用するかを調べることができます。この特性評価により、界面で切断および形成される化学結合の性質に関する情報が明らかになります。

多くの電子機器に電力を供給するリチウムイオンシステムは、最もよく知られているエネルギー貯蔵デバイスかもしれません。しかし、PNNL 研究チームは、さらに効率的で変革をもたらす可能性のあるエネルギー貯蔵システムを研究しています。これらには、リチウム硫黄イオン、リチウムベースの固体、リチウム化学の枠を超えたものが含まれます。この研究では、チームは分子の電解質溶液から開始し、さまざまな硫化リチウムなどの選択されたイオンを、酸素が豊富な表面を持つリチウム金属上にソフトランドします。

彼らは最近発見した一つには、負に帯電したリチウム硫黄イオンが、これらの新しいエネルギー貯蔵デバイスの界面での動作において重要な役割を果たしているということです。彼らは、イオンがリチウムではなく硫黄の還元および酸化化学を中心とした複数の反応を起こすことを発見しました。

この発見は、エネルギー貯蔵デバイスで観察される硫黄と酸素の結合と関連する反応分子の性質を説明します。イオンのソフトランディングの研究は、酸化型の硫黄がリチウムと硫黄の界面に存在する理由を分子レベルで説明します。これらの重要なイオンがモデル界面でどのように固体材料に変化するかを正確に理解することは、研究者が実際のデバイスの複雑な界面を解明するのに役立ちます。

「個々の種類の分子がどのように反応するかを調査するたびに、界面形成に関する集合的な知識を構築する新しいことを学びます」とジョンソン氏は述べています。

イオンのソフトランディング後の基板を覗いてみた。 (写真提供：アンドレア・スター | パシフィック・ノースウェスト国立研究所)

エネルギー貯蔵に関与するインターフェースを理解する

当初、PNNL の研究者は、エネルギー省 (DOE) の基礎エネルギー科学分離科学プログラムの支援を受けてイオンソフトランディング機能を開発しました。そのプログラムを通じて、化学エンジニアのベンキー・プラバカランイオンのソフトランディングを使用して、分離のための電気化学的に活性な界面を研究しました。しかし、彼はこの技術が分離システムを超えて何ができるかを知りたかったのです。とのミーティング物理学者ビジェイ・ムルゲサン数年前、エネルギー貯蔵の世界へのイオンのソフトランディングがもたらされました。室毛山は、エネルギー貯蔵共同研究センター (JCESR)、DOE イノベーションハブ。

「ある日、私は別のことでビジェイと会議をし、私たちの研究について話し始めました」とプラバカラン氏は語った。「私たちは、イオンのソフトランディングが、ビジェイが率いる JCESR の重点分野における重要な質問に答えるのに役立つ重要なツールである可能性があることにすぐに気づきました。」

エネルギー科学センターへのチームの今後の移転により、チームの作業が合理化され、効率的なコラボレーションと実験研究のためにチームが緊密に連携することになります。

「現在、イオンソフトランディングラボから主要な特性評価機器に到達するには、いくつかの通路を通らなければなりません」とムルゲサン氏は述べた。それは遠くないように思えるかもしれませんが、その短い距離は、非常に敏感で反応性の高いサンプルに問題を引き起こします。研究者らは、ホール内であってもサンプルを輸送するために特別な「真空スーツケース」を使用する必要があります。

「エネルギー科学センターでは、私たちの研究室はすぐ隣同士になります」とプラバカラン氏は語った。「コネクティングドアを作ります！」機器間の移動距離が大幅に短いため、サンプルの劣化や汚染にかかる時間が短縮されます。

チームを興奮させた最近の技術革新には、正イオンと負イオンの XNUMX 種類のイオンを同時に選択して堆積することが含まれます。このアプローチにより、エネルギー貯蔵デバイスのより現実的なモデルが作成されます。さまざまなイオンが相互作用したり、表面と相互作用したりすることで、チームは界面での作用を捉えることができます。

この記事で言及されている研究の一部は、DOE の科学局基礎エネルギー科学プログラムによって資金提供されるエネルギーイノベーションハブである JCESR の一環として支援されました。テキサスA&M大学との協力で行われた。 Johnson、Murugesan、Prabhakaran に加えて、PNNL の著者には、Kie Hankins、Sungun Wi、Vaithiyalingam Shutthanandan、Swadipta Roy、Hui Wang、Yuyan Shao、Suntharampillai Thevuthasan、および Karl Mueller がいます。作業の一部が行われました環境分子科学研究室にて、国立科学ユーザー施設。今後の研究はエネルギー科学センターで継続されます。

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