Using Ion Soft Landing To Solve Hard Energy Problems

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Met dank aan Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

Elke technologie die onze wereld bestuurt, heeft on-demand energie nodig. Energie moet worden opgeslagen en toegankelijk zijn om elektronische apparaten en lichte gebouwen van stroom te voorzien. Het brede scala aan apparaten die op verzoek energie nodig hebben, heeft geleid tot de ontwikkeling van talloze strategieën voor het opslaan van energie.

Veel energie opslag apparaten combineren chemische en elektrische processen om energie van de ene vorm in de andere om te zetten. Dit proces resulteert in een interface—de plaats van actie waar twee verschillende materialen elkaar ontmoeten en transformeren. Om efficiëntere, duurzamere energieopslagapparaten te maken, moeten wetenschappers controleren wat er op en nabij deze interfaces gebeurt. Maar dat is niet gemakkelijk.

"Het meeste onderzoek maakt een gecompliceerde interface en gebruikt vervolgens geavanceerde karakteriseringstechnieken om te proberen deze te begrijpen," zei Grant Johnson, een chemicus at Nationaal laboratorium Pacific Northwest (PNNL) die het Separation Science-programma leidt. “Ter vergelijking: we maken niet de hele interface. We bereiden elk stuk apart voor, waardoor we de individuele componenten en hoe ze ontstaan kunnen bestuderen.”

Hun aanpak wordt ion zachte landing genoemd. De techniek stelt wetenschappers in staat om te zien hoe individuele geladen moleculen, of ionen, die bestaan op echte energieopslaginterfaces interageren met een elektrode-oppervlak en een elektrische potentiaal. Het vereenvoudigt de rommelige interfaces die bestaan in echte energieopslagsystemen tot afzonderlijke systemen met slechts één type ion en het oppervlak. De onderzoekers kunnen dan onderzoeken welke rol elk molecuul speelt bij het maken van de interface.

De op maat gemaakte opstelling stelt onderzoekers in staat om experimenten met zachte landingen met ionen uit te voeren. (Foto door Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Zacht landende ionen voor gerichte studies in energieopslag

Dankzij de zachte landing van ionen kunnen onderzoekers een enkel specifiek type ion selecteren op basis van lading en grootte. De gekozen ionen landen dan voorzichtig op een geleidend oppervlak. Dit proces bereidt een nauwkeurig gedefinieerde grensvlakkarakteristiek voor van de reacties van de geselecteerde moleculen en oppervlaktemateriaal.

Zodra de interface is voorbereid, kunnen onderzoekers andere instrumenten gebruiken om te onderzoeken hoe het oppervlak en het molecuul op elkaar inwerken. Deze karakterisering onthult informatie over de aard van de verbroken en gevormde chemische bindingen op het grensvlak.

Lithium-ionsystemen, die veel van onze elektronica van stroom voorzien, zijn misschien wel de meest bekende apparaten voor energieopslag. Het onderzoeksteam van PNNL onderzoekt echter nog efficiëntere en potentieel transformerende energieopslagsystemen. Deze omvatten lithium-zwavelionen, op lithium gebaseerde vaste stoffen en verder gaan dan lithiumchemie. Voor dit onderzoek begint het team met een elektrolytoplossing van moleculen en zachte landen geselecteerde ionen, zoals verschillende lithiumsulfiden, op lithiummetaal met een zuurstofrijk oppervlak.

Ze ontdekten onlangs op één manier spelen de negatief geladen lithium-zwavelionen een sleutelrol in de werking van deze nieuwe energieopslagapparaten op interfaces. Ze ontdekten dat de ionen meerdere reacties ondergaan die gericht zijn op de reductie- en oxidatiechemie van zwavel in plaats van lithium.

De bevindingen verklaren de aard van de zwavel-zuurstofbindingen en verwante gereageerde moleculen die worden waargenomen in apparaten voor energieopslag. Het zachte landingswerk van ionen biedt een verklaring op moleculair niveau waarom geoxideerde vormen van zwavel voorkomen op lithium-zwavel-interfaces. Door precies te begrijpen hoe deze belangrijke ionen bij een modelinterface in vaste materialen veranderen, kunnen onderzoekers de gecompliceerde interfaces in echte apparaten opsplitsen.

"Elke keer dat we onderzoeken hoe een individueel type molecuul reageert, leren we iets nieuws dat collectieve kennis opbouwt over interfacevorming", zei Johnson.

Een kijkje nemen in een substraat na zachte ionenlanding. (Foto door Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Inzicht in de interfaces die betrokken zijn bij energieopslag

Oorspronkelijk ontwikkelden PNNL-onderzoekers hun ion-zachte landingsmogelijkheden met steun van het Basic Energy Sciences Separation Science-programma van het Department of Energy (DOE). Via dat programma scheikundig ingenieur Venky Prabhakaran gebruikte ion zachte landing om elektrochemisch actieve interfaces voor scheidingen te bestuderen. Hij wilde echter zien wat de techniek verder kon doen dan scheidingssystemen. Een ontmoeting met natuurkundige Vijay Murugesan een paar jaar geleden zorgde ion soft landing voor de toegang tot de wereld van energieopslag. Murugesan leidt een aandachtsgebied voor de Gemeenschappelijk centrum voor onderzoek naar energieopslag (JCESR), een DOE-innovatiehub.

"Op een dag had ik een ontmoeting met Vijay over iets anders en we begonnen te praten over ons onderzoek", zei Prabhakaran. "We realiseerden ons al snel dat zachte landing met ionen een belangrijk hulpmiddel zou kunnen zijn om belangrijke vragen te beantwoorden in het JCESR-focusgebied dat Vijay leidt."

De aanstaande verhuizing van het team naar het Energy Sciences Center zal hun werk stroomlijnen en hen dichter bij elkaar brengen voor efficiënte samenwerking en experimentele studies.

"Momenteel moeten we verschillende gangen door om van het ionen zachte landingslaboratorium bij de belangrijkste karakteriseringsinstrumenten te komen", zei Murugesan. Hoewel dat misschien niet ver lijkt, veroorzaakt die korte wandeling problemen voor hun zeer gevoelige en reactieve monsters. De onderzoekers moeten een speciale 'vacuümkoffer' gebruiken om de monsters te vervoeren, zelfs door de gang.

"In het Energy Sciences Center zullen onze laboratoria naast elkaar staan", zei Prabhakaran. "We krijgen een tussendeur!" De aanzienlijk kortere wandeling van instrument naar instrument betekent minder tijd voor mogelijke monsterdegradatie of verontreiniging.

Een recente innovatie die het team enthousiast heeft gemaakt, is het gelijktijdig selecteren en afzetten van twee soorten ionen, een positieve en een negatieve. Deze benadering creëert een realistischer model van energieopslagapparaten. De verschillende ionen interageren met elkaar en met het oppervlak, waardoor het team de actie op de interface kan vastleggen.

Een deel van het werk dat in dit artikel wordt genoemd, werd ondersteund als onderdeel van JCESR, een energie-innovatiehub die wordt gefinancierd door DOE's, Office of Science, Basic Energy Sciences-programma. Het werd gedaan in samenwerking met de Texas A&M University. Naast Johnson, Murugesan en Prabhakaran zijn andere PNNL-auteurs Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan en Karl Mueller. Een deel van het werk is uitgevoerd aan het Laboratorium voor Milieumoleculaire Wetenschappen, een National Scientific User Facility. Toekomstig werk zal worden voortgezet in het Energy Sciences Center.

Waardeer je de originaliteit van CleanTechnica? Overweeg om een CleanTechnica-lid, ondersteuner, technicus of ambassadeur - of een beschermheer op Patreon.