이온 연착륙을 사용하여 하드 에너지 문제 해결

의 의례 퍼시픽 노스 웨스트 국립 연구소.
By 베스 먼디, PNNL

세상을 운영하는 모든 기술에는 수요에 따라 에너지가 필요합니다. 에너지는 저장되어야 하며 전자 장치 및 조명 건물에 전력을 공급하기 위해 접근 가능해야 합니다. 필요에 따라 에너지를 필요로 하는 다양한 장치로 인해 에너지 저장을 위한 수많은 전략이 개발되었습니다.

많은 에너지 저장 장치 장치는 화학적 및 전기적 과정을 결합하여 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 변환합니다. 이 프로세스를 통해 인터페이스가 생성됩니다.— 서로 다른 두 가지 재료가 만나서 변형되는 작용의 장소. 보다 효율적이고 오래 지속되는 에너지 저장 장치를 만들기 위해 과학자들은 이러한 인터페이스와 그 근처에서 일어나는 일을 제어해야 합니다. 하지만 그건 쉽지 않습니다.

"대부분의 연구는 복잡한 인터페이스를 만든 다음 고급 특성화 기술을 사용하여 이를 이해하려고 노력합니다."라고 말했습니다. 화학자 그랜트 존슨 at 태평양 북서부 국립 연구소 (PNNL) 분리 과학 프로그램을 이끄는 사람입니다. “비교하면 우리는 전체 인터페이스를 만들지 않습니다. 우리는 각 작품을 개별적으로 준비하므로 개별 구성 요소와 구성 방식을 연구할 수 있습니다.”

그들의 접근 방식을 이온 연착륙이라고 합니다. 이 기술을 통해 과학자들은 실제 에너지 저장 인터페이스에 존재하는 개별 전하 분자 또는 이온이 전극 표면 및 전위와 어떻게 상호 작용하는지 확인할 수 있습니다. 실제 에너지 저장 시스템에 존재하는 지저분한 인터페이스를 한 가지 유형의 이온과 표면만으로 구성된 별도의 시스템으로 단순화합니다. 그런 다음 연구원들은 인터페이스를 생성하는 데 각 분자가 수행하는 역할을 조사할 수 있습니다.

맞춤형 설정을 통해 연구원은 이온 연착륙 실험을 수행할 수 있습니다. (사진: Andrea Starr | 태평양 북서부 국립 연구소)

에너지 저장 분야의 표적 연구를 위한 소프트 랜딩 이온

이온 연착륙을 통해 연구자들은 전하와 크기에 따라 특정 유형의 단일 이온을 선택할 수 있습니다. 선택한 이온은 전도성 표면에 부드럽게 안착됩니다. 이 프로세스는 선택된 분자와 표면 물질의 반응에 대해 정확하게 정의된 인터페이스 특성을 준비합니다.

인터페이스가 준비되면 연구자들은 다른 도구를 사용하여 표면과 분자가 어떻게 상호 작용하는지 조사할 수 있습니다. 이 특성화는 인터페이스에서 깨지고 형성된 화학 결합의 특성에 대한 정보를 보여줍니다.

많은 전자 제품에 전력을 공급하는 리튬 이온 시스템은 가장 친숙한 에너지 저장 장치일 수 있습니다. 그러나 PNNL 연구팀은 훨씬 더 효율적이고 잠재적으로 혁신적인 에너지 저장 시스템을 탐색하고 있습니다. 여기에는 리튬-황 이온, 리튬 기반 고체 및 리튬 화학을 넘어서는 것이 포함됩니다. 이 연구를 위해 팀은 산소가 풍부한 표면을 가진 리튬 금속에 다양한 황화 리튬과 같은 선택된 이온을 연착륙하고 분자의 전해질 용액으로 시작합니다.

그들은 최근에 발견했습니다 한 가지 방법으로 음전하를 띤 리튬-황 이온은 인터페이스에서 이러한 새로운 에너지 저장 장치의 작동에 중요한 역할을 합니다. 그들은 이온이 리튬보다는 황의 환원 및 산화 화학을 중심으로 여러 반응을 겪는다는 것을 발견했습니다.

이번 발견은 에너지 저장 장치에서 관찰되는 황-산소 결합 및 관련 반응 분자의 특성을 설명합니다. 이온 연착륙 연구는 산화된 형태의 황이 리튬-황 계면에 존재하는 이유에 대한 분자 수준의 설명을 제공합니다. 이러한 중요한 이온이 모델 인터페이스에서 어떻게 고체 물질로 변하는지 정확히 이해하면 연구자가 실제 장치의 복잡한 인터페이스를 분석하는 데 도움이 됩니다.

Johnson은 “개별 유형의 분자가 어떻게 반응하는지 탐구할 때마다 인터페이스 형성에 대한 집단적 지식을 구축하는 새로운 것을 배웁니다.”라고 말했습니다.

이온 연착륙 후 기판을 엿보는 모습. (사진: Andrea Starr | 태평양 북서부 국립 연구소)

에너지 저장과 관련된 인터페이스 이해

원래 PNNL 연구원들은 에너지부(DOE) 기초 에너지 과학 분리 과학 프로그램의 지원을 받아 이온 연착륙 기능을 개발했습니다. 해당 프로그램을 통해, 화학 엔지니어 Venky Prabhakaran 분리를 위한 전기화학적 활성 인터페이스를 연구하기 위해 이온 연착륙을 사용했습니다. 그러나 그는 이 기술이 분리 시스템을 넘어 어떤 역할을 할 수 있는지 알고 싶었습니다. 와의 만남 물리학자 비자이 무루게산 몇 년 전 이온 연착륙이 에너지 저장 세계로 진출했습니다. Murugesan은 다음의 중점 영역을 이끌고 있습니다. 에너지 저장 연구 공동 센터(JCESR), DOE 혁신 허브입니다.

Prabhakaran은 “어느 날 저는 Vijay와 다른 문제에 관해 회의를 갖고 우리의 연구에 대해 이야기하기 시작했습니다.”라고 말했습니다. "우리는 이온 연착륙이 Vijay가 이끄는 JCESR 중점 영역의 주요 질문에 답하는 데 도움이 되는 중요한 도구일 수 있다는 것을 빨리 깨달았습니다."

팀이 에너지 과학 센터로 이전하면 작업이 간소화되고 효율적인 협업과 실험 연구를 위해 서로 더 가까워질 것입니다.

Murugesan은 “현재 이온 연착륙 연구실에서 주요 특성화 장비로 이동하려면 여러 복도를 거쳐야 합니다.”라고 말했습니다. 그리 멀지 않은 것처럼 보일 수도 있지만 짧은 산책은 매우 민감하고 반응성이 높은 샘플에 문제를 일으킵니다. 연구원들은 샘플을 복도 아래로 운반하기 위해 특별한 "진공 여행 가방"을 사용해야 합니다.

Prabhakaran은 “에너지 과학 센터에서 우리 연구실은 서로 바로 옆에 위치하게 될 것입니다.”라고 말했습니다. "우리는 연결 문을 갖게 될 것입니다!" 기기 간 이동 거리가 상당히 짧다는 것은 시료 품질 저하 또는 오염 가능성이 더 적다는 것을 의미합니다.

팀을 흥분시키는 최근 혁신에는 두 종류의 이온(양성 이온과 음성 이온)을 동시에 선택하고 증착하는 것이 포함됩니다. 이 접근 방식은 에너지 저장 장치의 보다 현실적인 모델을 생성합니다. 서로 다른 이온은 서로 및 표면과 상호 작용하여 팀이 인터페이스에서 동작을 캡처할 수 있도록 합니다.

이 기사에 언급된 작업 중 일부는 DOE, Office of Science, Basic Energy Sciences 프로그램에서 자금을 지원하는 에너지 혁신 허브인 JCESR의 일부로 지원되었습니다. 텍사스 A&M 대학교와 협력하여 진행되었습니다. Johnson, Murugesan 및 Prabhakaran 외에도 다른 PNNL 저자로는 Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan 및 Karl Mueller가 있습니다. 작업의 일부가 수행되었습니다. 환경분자과학 연구실에서, 국립 과학 사용자 시설. 향후 연구는 에너지 과학 센터에서 계속될 것입니다.