Usando Ion Soft Landing para resolver problemas de energia forte

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Cortesia Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

Toda tecnologia que movimenta nosso mundo requer energia sob demanda. A energia deve ser armazenada e estar acessível para alimentar dispositivos eletrônicos e iluminar edifícios. A ampla gama de dispositivos que necessitam de energia sob demanda levou ao desenvolvimento de inúmeras estratégias para armazenar energia.

Muitos armazenamento de energia dispositivos combinam processos químicos e elétricos para converter energia de uma forma para outra. Este processo resulta em uma interface—o local de ação onde dois materiais diferentes se encontram e se transformam. Para criar dispositivos de armazenamento de energia mais eficientes e duradouros, os cientistas precisam controlar o que acontece nessas interfaces e próximo a elas. Mas isso não é fácil.

“A maioria das pesquisas cria uma interface complicada e depois usa técnicas avançadas de caracterização para tentar entendê-la”, disse Grant Johnson, um químico at Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) que lidera o programa Ciência da Separação. “Em comparação, não fazemos a interface inteira. Preparamos cada peça separadamente, o que nos permite estudar os componentes individuais e como eles se formam.”

Sua abordagem é chamada de pouso suave de íons. A técnica permite aos cientistas ver como moléculas carregadas individuais, ou íons, que existem em interfaces reais de armazenamento de energia interagem com a superfície de um eletrodo e um potencial elétrico. Ele simplifica as interfaces confusas que existem em sistemas reais de armazenamento de energia em sistemas separados com apenas um tipo de íon e a superfície. Os pesquisadores podem então investigar o papel que cada molécula desempenha na criação da interface.

A configuração personalizada permite que os pesquisadores realizem experimentos de pouso suave de íons. (Foto de Andrea Starr | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico)

Aterrissando suavemente íons para estudos direcionados em armazenamento de energia

O pouso suave de íons permite que os pesquisadores selecionem um tipo único e específico de íon por carga e tamanho. Os íons escolhidos pousam suavemente em uma superfície condutora. Este processo prepara uma interface precisamente definida, característica das reações das moléculas selecionadas e do material de superfície.

Uma vez preparada a interface, os pesquisadores podem usar outros instrumentos para examinar como a superfície e a molécula interagem. Esta caracterização revela informações sobre a natureza das ligações químicas quebradas e formadas na interface.

Os sistemas de íons de lítio, que alimentam muitos de nossos eletrônicos, podem ser os dispositivos de armazenamento de energia mais conhecidos. A equipa de investigação do PNNL, no entanto, está a explorar sistemas de armazenamento de energia ainda mais eficientes e potencialmente transformadores. Isso inclui íons de lítio-enxofre, sólidos à base de lítio e ir além da química do lítio. Para esta pesquisa, a equipe começa com uma solução eletrolítica de moléculas e íons macios selecionados, como vários sulfetos de lítio, em metal de lítio com uma superfície rica em oxigênio.

Eles descobriram recentemente De certa forma, os íons de lítio-enxofre com carga negativa desempenham um papel fundamental na operação desses novos dispositivos de armazenamento de energia nas interfaces. Eles descobriram que os íons passam por múltiplas reações centradas na química de redução e oxidação do enxofre, em vez do lítio.

As descobertas explicam a natureza das ligações enxofre-oxigênio e moléculas reagidas relacionadas observadas em dispositivos de armazenamento de energia. O trabalho de pouso suave de íons fornece uma explicação em nível molecular de por que existem formas oxidadas de enxofre nas interfaces lítio-enxofre. Compreender exatamente como esses íons importantes se transformam em materiais sólidos em uma interface de modelo ajuda os pesquisadores a quebrar as interfaces complicadas em dispositivos reais.

“Cada vez que exploramos como um tipo individual de molécula reage, aprendemos algo novo que constrói conhecimento coletivo sobre a formação de interfaces”, disse Johnson.

Dando uma olhada em um substrato após o pouso suave de íons. (Foto de Andrea Starr | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico)

Compreender as interfaces envolvidas no armazenamento de energia

Originalmente, os pesquisadores do PNNL desenvolveram suas capacidades de pouso suave de íons com o apoio do programa de Ciência de Separação de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia (DOE). Através desse programa, engenheiro químico Venky Prabhakaran usou pouso suave de íons para estudar interfaces eletroquimicamente ativas para separações. No entanto, ele queria ver o que a técnica poderia fazer além dos sistemas de separação. Um encontro com físico Vijay Murugesan alguns anos atrás, trouxe a entrada do pouso suave de íons no mundo do armazenamento de energia. Murugesan lidera uma área de foco para o Centro Conjunto para Pesquisa de Armazenamento de Energia (JCESR), um centro de inovação do DOE.

“Um dia, tive uma reunião com Vijay sobre outra coisa e começamos a conversar sobre nossa pesquisa”, disse Prabhakaran. “Rapidamente percebemos que o pouso suave de íons pode ser uma ferramenta importante para ajudar a responder às principais questões na área de foco do JCESR que Vijay lidera.”

A próxima mudança da equipe para o Centro de Ciências de Energia irá agilizar seu trabalho e aproximá-los para uma colaboração eficiente e estudos experimentais.

“Atualmente, temos que percorrer vários corredores para ir do laboratório de pouso suave de íons aos principais instrumentos de caracterização”, disse Murugesan. Embora isso possa não parecer muito longe, essa curta caminhada causa problemas para suas amostras altamente sensíveis e reativas. Os pesquisadores precisam usar uma “mala a vácuo” especial para transportar as amostras, até mesmo no corredor.

“No Centro de Ciências Energéticas, nossos laboratórios estarão próximos um do outro”, disse Prabhakaran. “Teremos uma porta de ligação!” A caminhada significativamente mais curta de instrumento para instrumento significa menos tempo para possível degradação ou contaminação da amostra.

Uma inovação recente que entusiasmou a equipe envolve selecionar e depositar simultaneamente dois tipos de íons, um positivo e outro negativo. Esta abordagem cria um modelo mais realista de dispositivos de armazenamento de energia. Os diferentes íons interagem entre si e com a superfície, permitindo à equipe capturar a ação na interface.

Alguns dos trabalhos mencionados neste artigo foram apoiados como parte do JCESR, um Centro de Inovação Energética financiado pelo programa DOE, Office of Science, Basic Energy Sciences. Isso foi feito em colaboração com a Texas A&M University. Além de Johnson, Murugesan e Prabhakaran, outros autores do PNNL são Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan e Karl Mueller. Parte do trabalho foi realizado no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, um Centro Nacional de Usuários Científicos. Os trabalhos futuros continuarão no Centro de Ciências da Energia.

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