Bruke Ion Soft Landing for å løse vanskelige energiproblemer

Publisert av Platon

Følgere: 0

Courtesy of Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

All teknologi som styrer vår verden krever energi på forespørsel. Energi skal lagres og være tilgjengelig for å drive elektroniske enheter og lette bygninger. Det brede utvalget av enheter som krever energi på forespørsel har ført til utviklingen av en rekke strategier for lagring av energi.

Mange energilagring enheter kombinerer kjemiske og elektriske prosesser for å konvertere energi fra en form til en annen. Denne prosessen resulterer i et grensesnitt– handlingsstedet der to forskjellige materialer møtes og transformeres. For å lage mer effektive, lengre varige energilagringsenheter, må forskere kontrollere hva som skjer ved og i nærheten av disse grensesnittene. Men det er ikke lett.

"Det meste av forskning gjør et komplisert grensesnitt og bruker deretter avanserte karakteriseringsteknikker for å prøve å forstå det," sa Grant Johnson, en kjemiker at Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) som leder programmet Separasjonsvitenskap. «Til sammenligning lager vi ikke hele grensesnittet. Vi forbereder hvert stykke separat, noe som lar oss studere de enkelte komponentene og hvordan de dannes."

Tilnærmingen deres kalles myk ionelanding. Teknikken lar forskere se hvordan individuelle ladede molekyler, eller ioner, som eksisterer ved ekte energilagringsgrensesnitt, samhandler med en elektrodeoverflate og et elektrisk potensial. Det forenkler de rotete grensesnittene som finnes i ekte energilagringssystemer til separate systemer med bare én type ion og overflaten. Forskerne kan deretter undersøke rollen hvert molekyl spiller i å skape grensesnittet.

Det spesialbygde oppsettet lar forskere utføre myklandingseksperimenter med ioner. (Foto av Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Mykt landende ioner for målrettede studier innen energilagring

Ione-myklanding gjør det mulig for forskere å velge en enkelt, spesifikk type ion etter ladning og størrelse. De valgte ionene lander deretter forsiktig på en ledende overflate. Denne prosessen forbereder et nøyaktig definert grensesnitt som er karakteristisk for reaksjonene til de valgte molekylene og overflatematerialet.

Når grensesnittet er forberedt, kan forskere bruke andre instrumenter for å undersøke hvordan overflaten og molekylet samhandler. Denne karakteriseringen avslører informasjon om arten av de kjemiske bindingene som brytes og dannes ved grensesnittet.

Litium-ion-systemer, som driver mange av elektronikken vår, kan være de mest kjente energilagringsenhetene. PNNL-forskerteamet utforsker imidlertid enda mer effektive og potensielt transformative energilagringssystemer. Disse inkluderer litium-svovelioner, litiumbaserte faste stoffer og beveger seg utover litiumkjemi. For denne forskningen starter teamet med en elektrolyttløsning av molekyler og myke land utvalgte ioner, som forskjellige litiumsulfider, på litiummetall med en oksygenrik overflate.

De oppdaget nylig en måte de negativt ladede litium-svovelionene spiller en nøkkelrolle i driften av disse nye energilagringsenhetene ved grensesnitt. De fant at ionene gjennomgår flere reaksjoner sentrert om reduksjons- og oksidasjonskjemien til svovel, i stedet for litium.

Funnene forklarer naturen til svovel-oksygenbindingene og relaterte reagerte molekyler observert i energilagringsenheter. Ione-myklandingsarbeidet gir en forklaring på molekylært nivå på hvorfor oksiderte former for svovel eksisterer ved litium-svovel-grensesnitt. Å forstå nøyaktig hvordan disse viktige ionene blir til faste materialer ved et modellgrensesnitt hjelper forskerne å bryte ned de kompliserte grensesnittene i ekte enheter.

"Hver gang vi utforsker hvordan en individuell type molekyl reagerer, lærer vi noe nytt som bygger kollektiv kunnskap om dannelse av grensesnitt," sa Johnson.

Ta en titt på et underlag etter myk ionelanding. (Foto av Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Forstå grensesnittene involvert i energilagring

Opprinnelig utviklet PNNL-forskere sine ion-myklandingsevner med støtte fra Department of Energy (DOE) Basic Energy Sciences Separation Science-program. Gjennom det programmet, kjemiingeniør Venky Prabhakaran brukte myk ionelanding for å studere elektrokjemisk aktive grensesnitt for separasjoner. Han ønsket imidlertid å se hva teknikken kunne gjøre utover separasjonssystemer. Et møte med fysiker Vijay Murugesan For noen år siden førte myk ion-landing til en verden av energilagring. Murugesan leder et satsingsområde for Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), en DOE Innovation Hub.

"En dag hadde jeg et møte med Vijay om noe annet, og vi begynte å snakke om forskningen vår," sa Prabhakaran. "Vi skjønte raskt at myk ionelanding kan være et viktig verktøy for å svare på nøkkelspørsmål i JCESR-fokusområdet Vijay leder."

Teamets kommende flytting til Energy Sciences Center vil effektivisere arbeidet deres og bringe dem nærmere hverandre for effektivt samarbeid og eksperimentelle studier.

"For øyeblikket må vi gå ned flere korridorer for å komme oss fra ion-myklandingslaboratoriet til nøkkelkarakteriseringsinstrumenter," sa Murugesan. Selv om det kanskje ikke virker langt, forårsaker den korte turen problemer for deres svært sensitive og reaktive prøver. Forskerne må bruke en spesiell "vakuumkoffert" for å transportere prøvene, selv ned i gangen.

"I energivitenskapssenteret vil laboratoriene våre være rett ved siden av hverandre," sa Prabhakaran. "Vi vil ha en forbindelsesdør!" Den betydelig kortere vandringen fra instrument til instrument betyr mindre tid for mulig prøvenedbrytning eller kontaminering.

En ny innovasjon som har gjort teamet begeistret innebærer samtidig å velge og deponere to typer ioner, en positiv og en negativ. Denne tilnærmingen skaper en mer realistisk modell av energilagringsenheter. De forskjellige ionene samhandler med hverandre og overflaten, slik at teamet kan fange handlingen ved grensesnittet.

Noe av arbeidet nevnt i denne artikkelen ble støttet som en del av JCESR, en energiinnovasjonshub finansiert av DOEs, Office of Science, Basic Energy Sciences-programmet. Det ble gjort i samarbeid med Texas A&M University. I tillegg til Johnson, Murugesan og Prabhakaran, er andre PNNL-forfattere Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan og Karl Mueller. En del av arbeidet ble utført ved Miljømolekylærvitenskapelige laboratoriet, et nasjonalt vitenskapelig brukeranlegg. Det videre arbeidet vil fortsette ved Energisenteret.

Setter du pris på CleanTechnicas originalitet? Vurder å bli en CleanTechnica-medlem, supporter, tekniker eller ambassadør - eller en beskytter på Patreon.