Wykorzystanie miękkiego lądowania jonowego do rozwiązania problemów z twardą energią

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Dzięki uprzejmości Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

Każda technologia, która napędza nasz świat, wymaga energii na żądanie. Energia musi być magazynowana i dostępna dla urządzeń elektronicznych zasilających i budynków oświetleniowych. Szeroka gama urządzeń wymagających energii na żądanie doprowadziła do opracowania wielu strategii magazynowania energii.

Wiele magazynowanie energii urządzenia łączą procesy chemiczne i elektryczne w celu przekształcenia energii z jednej formy w drugą. W wyniku tego procesu powstaje interfejs— miejsce akcji, w którym spotykają się i przekształcają dwa różne materiały. Aby stworzyć wydajniejsze i trwalsze urządzenia do magazynowania energii, naukowcy muszą kontrolować to, co dzieje się na tych stykach i w ich pobliżu. Ale to nie jest łatwe.

„Większość badań tworzy skomplikowany interfejs, a następnie wykorzystuje zaawansowane techniki charakteryzacji, aby go zrozumieć” – stwierdził Grant Johnson, chemik at Krajowe Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku (PNNL) który prowadzi program Separation Science. „Dla porównania, nie tworzymy całego interfejsu. Każdy element przygotowujemy osobno, co pozwala nam zbadać poszczególne elementy i sposób ich powstania.”

Ich podejście nazywa się miękkim lądowaniem jonowym. Technika ta pozwala naukowcom zobaczyć, jak pojedyncze naładowane cząsteczki, czyli jony, istniejące na styku rzeczywistych magazynów energii oddziałują z powierzchnią elektrody i potencjałem elektrycznym. Upraszcza to niechlujne interfejsy istniejące w rzeczywistych systemach magazynowania energii w oddzielne systemy z tylko jednym rodzajem jonów i powierzchnią. Naukowcy mogą następnie zbadać rolę, jaką każda cząsteczka odgrywa w tworzeniu interfejsu.

Specjalnie zbudowana konfiguracja umożliwia badaczom przeprowadzanie eksperymentów z miękkim lądowaniem jonów. (Zdjęcie: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Jony miękkiego lądowania do ukierunkowanych badań nad magazynowaniem energii

Miękkie lądowanie jonów umożliwia badaczom wybranie jednego, określonego rodzaju jonów na podstawie ładunku i rozmiaru. Wybrane jony następnie delikatnie lądują na przewodzącej powierzchni. W procesie tym powstaje precyzyjnie określona charakterystyka interfejsu dla reakcji wybranych cząsteczek i materiału powierzchniowego.

Po przygotowaniu interfejsu badacze będą mogli wykorzystać inne instrumenty do zbadania interakcji powierzchni i cząsteczki. Charakterystyka ta ujawnia informacje o naturze wiązań chemicznych zerwanych i utworzonych na granicy faz.

Systemy litowo-jonowe, które zasilają wiele naszych urządzeń elektronicznych, mogą być najbardziej znanymi urządzeniami do magazynowania energii. Zespół badawczy PNNL bada jednak jeszcze bardziej wydajne i potencjalnie transformacyjne systemy magazynowania energii. Należą do nich jony litu i siarki, ciała stałe na bazie litu i wykraczające poza chemię litu. Na potrzeby tych badań zespół rozpoczął od roztworu elektrolitu składającego się z cząsteczek i miękkiego osadzania wybranych jonów, takich jak różne siarczki litu, na litu metalicznym o powierzchni bogatej w tlen.

Niedawno odkryli z jednej strony ujemnie naładowane jony litu i siarki odgrywają kluczową rolę w działaniu tych nowych urządzeń magazynujących energię na stykach. Odkryli, że jony podlegają wielu reakcjom skupionym na chemii redukcji i utleniania siarki, a nie litu.

Odkrycia wyjaśniają naturę wiązań siarka-tlen i powiązanych z nimi przereagowanych cząsteczek obserwowanych w urządzeniach magazynujących energię. Prace dotyczące miękkiego lądowania jonów dostarczają wyjaśnienia na poziomie molekularnym, dlaczego na granicy faz lit-siarka występują utlenione formy siarki. Dokładne zrozumienie, w jaki sposób te ważne jony zamieniają się w materiały stałe na interfejsie modelowym, pomaga badaczom rozbić skomplikowane interfejsy w rzeczywistych urządzeniach.

„Za każdym razem, gdy badamy reakcję pojedynczego typu cząsteczki, dowiadujemy się czegoś nowego, co buduje zbiorową wiedzę na temat tworzenia się interfejsu” – powiedział Johnson.

Rzut oka na podłoże po miękkim lądowaniu jonowym. (Zdjęcie: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Zrozumienie interfejsów związanych z magazynowaniem energii

Pierwotnie badacze z PNNL opracowali możliwości miękkiego lądowania jonowego przy wsparciu programu Departamentu Energii (DOE) dotyczącego separacji podstawowych nauk o energii. Za pośrednictwem tego programu inżynier chemik Venky Prabhakaran wykorzystał miękkie lądowanie jonów do badania elektrochemicznie aktywnych interfejsów do separacji. Chciał jednak zobaczyć, co ta technika może zaoferować poza systemami separacji. Spotkanie z fizyk Vijay Murugesan kilka lat temu doprowadziło do wejścia ion soft lądowania do świata magazynowania energii. Murugesan jest liderem obszaru zainteresowania dla Wspólne Centrum Badań nad Magazynowaniem Energii (JCESR), centrum innowacji DOE.

„Pewnego dnia spotkałem się z Vijayem w innej sprawie i zaczęliśmy rozmawiać o naszych badaniach” – powiedział Prabhakaran. „Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że miękkie lądowanie jonowe może być ważnym narzędziem pomagającym odpowiedzieć na kluczowe pytania w obszarze zainteresowań JCESR, kierownictwo Vijay”.

Zbliżająca się przeprowadzka zespołu do Centrum Nauk o Energii usprawni ich pracę i zbliży ich do siebie, umożliwiając wydajną współpracę i badania eksperymentalne.

„Obecnie musimy przejść kilka korytarzy, aby dostać się z laboratorium miękkiego lądowania jonowego do kluczowych instrumentów do charakteryzowania” – powiedział Murugesan. Choć może to nie wydawać się odległe, ten krótki spacer powoduje problemy dla ich bardzo wrażliwych i reaktywnych próbek. Naukowcy muszą używać specjalnej „walizki próżniowej” do transportu próbek nawet wzdłuż korytarza.

„W Centrum Nauk o Energii nasze laboratoria będą znajdować się tuż obok siebie” – powiedział Prabhakaran. „Będziemy mieli drzwi łączące!” Znacznie krótsza droga od przyrządu do przyrządu oznacza mniej czasu na możliwą degradację lub zanieczyszczenie próbki.

Niedawna innowacja, która wzbudziła entuzjazm zespołu, polega na jednoczesnym wybieraniu i osadzaniu dwóch rodzajów jonów, jednego dodatniego i jednego ujemnego. Takie podejście tworzy bardziej realistyczny model urządzeń magazynujących energię. Różne jony oddziałują ze sobą i z powierzchnią, umożliwiając zespołowi uchwycenie akcji na styku.

Niektóre prace wspomniane w tym artykule były wspierane w ramach JCESR, centrum innowacji energetycznych finansowanego przez program Podstawowe nauki o energii DOE, Office of Science. Dokonano tego we współpracy z Texas A&M University. Oprócz Johnsona, Murugesana i Prabhakarana innymi autorami PNNL są Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan i Karl Mueller. Część prac została wykonana w Laboratorium Nauk Molekularnych Środowiska, Krajowy Ośrodek Użytkowników Naukowych. Przyszłe prace będą kontynuowane w Centrum Nauk o Energii.

Doceniasz oryginalność CleanTechnica? Rozważ zostanie Członek, Supporter, Technik lub Ambasador CleanTechnica - lub patrona na Patreon.