Utilizarea Ion Soft Landing pentru a rezolva problemele cu energie dure

Curtoazie de Laboratorul național Pacific Nord-Vest.
By Beth Mundy, PNNL

Fiecare tehnologie care conduce lumea noastră necesită energie la cerere. Energia trebuie stocată și accesibilă pentru alimentarea dispozitivelor electronice și a clădirilor ușoare. Gama largă de dispozitive care necesită energie la cerere a condus la dezvoltarea a numeroase strategii de stocare a energiei.

Multe stocare a energiei dispozitivele combină procese chimice și electrice pentru a converti energia dintr-o formă în alta. Acest proces are ca rezultat o interfață— locul de acțiune în care două materiale diferite se întâlnesc și se transformă. Pentru a face dispozitive de stocare a energiei mai eficiente și mai durabile, oamenii de știință trebuie să controleze ceea ce se întâmplă la și în apropierea acestor interfețe. Dar asta nu este ușor.

„Majoritatea cercetărilor creează o interfață complicată și apoi utilizează tehnici avansate de caracterizare pentru a încerca să o înțeleagă”, a spus Grant Johnson, un chimist at Laboratorul Național al Pacificului de Nord-Vest (PNNL) care conduce programul Separation Science. „În comparație, nu realizăm întreaga interfață. Pregătim fiecare piesă separat, ceea ce ne permite să studiem componentele individuale și modul în care se formează.”

Abordarea lor se numește aterizare moale ionică. Tehnica permite oamenilor de știință să vadă modul în care moleculele individuale încărcate, sau ionii, care există la interfețele reale de stocare a energiei interacționează cu suprafața unui electrod și un potențial electric. Simplifica interfețele dezordonate care există în sistemele reale de stocare a energiei în sisteme separate cu un singur tip de ion și suprafață. Cercetătorii pot investiga apoi rolul pe care fiecare moleculă îl joacă în crearea interfeței.

Aterizare uşoară a ionilor pentru studii ţintite în stocarea energiei

Ion soft landing permite cercetătorilor să selecteze un singur tip specific de ion în funcție de sarcină și dimensiune. Ionii aleși aterizează apoi ușor pe o suprafață conducătoare. Acest proces pregătește o interfață definită cu precizie, caracteristică reacțiilor moleculelor selectate și a materialului de suprafață.

Odată ce interfața este pregătită, cercetătorii pot folosi alte instrumente pentru a examina modul în care suprafața și molecula interacționează. Această caracterizare dezvăluie informații despre natura legăturilor chimice rupte și formate la interfață.

Sistemele litiu-ion, care alimentează multe dintre electronicele noastre, pot fi cele mai cunoscute dispozitive de stocare a energiei. Echipa de cercetare PNNL explorează totuși sisteme de stocare a energiei și mai eficiente și potențial transformatoare. Acestea includ ioni de litiu-sulf, solide pe bază de litiu și trecerea dincolo de chimia litiului. Pentru această cercetare, echipa începe cu o soluție electrolitică de molecule și ioni selectați de terenuri moi, precum diverse sulfuri de litiu, pe litiu metal cu o suprafață bogată în oxigen.

Au descoperit recent într-un fel, ionii de litiu-sulf încărcați negativ joacă un rol cheie în funcționarea acestor noi dispozitive de stocare a energiei la interfețe. Ei au descoperit că ionii suferă mai multe reacții centrate pe chimia de reducere și oxidare a sulfului, mai degrabă decât a litiului.

Descoperirile explică natura legăturilor sulf-oxigen și a moleculelor asociate care au reacţionat observate în dispozitivele de stocare a energiei. Lucrarea de aterizare moale ionică oferă o explicație la nivel molecular pentru ce există forme oxidate de sulf la interfețele litiu-sulf. Înțelegerea exactă a modului în care acești ioni importanți se transformă în materiale solide la o interfață model îi ajută pe cercetători să descompună interfețele complicate din dispozitivele reale.

„De fiecare dată când explorăm modul în care reacționează un tip individual de moleculă, învățăm ceva nou care construiește cunoștințe colective despre formarea interfeței”, a spus Johnson.

Înțelegerea interfețelor implicate în stocarea energiei

Inițial, cercetătorii PNNL și-au dezvoltat capacitățile de aterizare moale de ioni cu sprijinul programului Departamentul de Energie (DOE) Basic Energy Sciences Separation Science. Prin acel program, inginer chimist Venky Prabhakaran a folosit aterizarea moale ionică pentru a studia interfețele active electrochimic pentru separări. Cu toate acestea, el a vrut să vadă ce poate face tehnica dincolo de sistemele de separare. O întâlnire cu fizicianul Vijay Murugesan cu câțiva ani în urmă a adus intrarea ionilor soft landing în lumea stocării energiei. Murugesan conduce o zonă de focus pentru Centrul Comun pentru Cercetare în Stocarea Energiei (JCESR), un centru de inovare DOE.

„Într-o zi, am avut o întâlnire cu Vijay despre altceva și am început să vorbim despre cercetarea noastră”, a spus Prabhakaran. „Ne-am dat seama rapid că aterizarea ionică moale ar putea fi un instrument important pentru a ajuta la răspunsul la întrebările cheie din domeniul de interes al JCESR pe care Vijay o conduce.”

Următoarea mutare a echipei la Centrul de Științe Energetice le va eficientiza munca și le va apropia mai mult pentru o colaborare eficientă și studii experimentale.

„În prezent, trebuie să mergem pe mai multe coridoare pentru a ajunge de la laboratorul de aterizare moale ionică la instrumentele cheie de caracterizare”, a spus Murugesan. Deși s-ar putea să nu pară departe, această scurtă plimbare provoacă probleme pentru mostrele lor extrem de sensibile și reactive. Cercetătorii trebuie să folosească o „valiză cu vid” specială pentru a transporta mostrele, chiar și pe hol.

„În Centrul de Științe Energetice, laboratoarele noastre vor fi unul lângă celălalt”, a spus Prabhakaran. „Vom avea o ușă de legătură!” Mersul semnificativ mai scurt de la instrument la instrument înseamnă mai puțin timp pentru o posibilă degradare sau contaminare a probei.

O inovație recentă care a entuziasmat echipa implică selectarea și depunerea simultană a două tipuri de ioni, unul pozitiv și unul negativ. Această abordare creează un model mai realist al dispozitivelor de stocare a energiei. Diferiții ioni interacționează între ei și cu suprafața, permițând echipei să surprindă acțiunea la interfață.

Unele dintre lucrările menționate în acest articol au fost susținute ca parte a JCESR, un centru de inovare energetică finanțat de DOE, Office of Science, programul Basic Energy Sciences. A fost realizat în colaborare cu Universitatea Texas A&M. Pe lângă Johnson, Murugesan și Prabhakaran, alți autori PNNL sunt Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan și Karl Mueller. O parte din lucrare a fost executată la Laboratorul de Științe Moleculare de Mediu, un serviciu științific național pentru utilizatori. Lucrările viitoare vor continua la Centrul de Științe Energetice.

 

Apreciați originalitatea CleanTechnica? Luați în considerare a deveni un Membru, suporter, tehnician sau ambasador CleanTechnica - sau un patron pe Patreon.

 

 

---

publicitate  

---

---

Sursa: https://cleantechnica.com/2022/01/16/using-ion-soft-landing-to-solve-hard-energy-problems/