Предоставлено Национальная лаборатория Pacific Northwest.
By Бет Манди, PNNL
Каждая технология, которая управляет нашим миром, требует энергии по требованию. Энергия должна храниться и быть доступной для питания электронных устройств и освещения зданий. Широкий спектр устройств, которым требуется энергия по запросу, привел к разработке многочисленных стратегий хранения энергии.
Много хранилище энергии устройства сочетают химические и электрические процессы для преобразования энергии из одной формы в другую. Результатом этого процесса является интерфейс— место действия, где встречаются и трансформируются два разных материала. Чтобы сделать более эффективные и долговечные устройства хранения энергии, ученым необходимо контролировать то, что происходит на этих интерфейсах и рядом с ними. Но это непросто.
«Большинство исследований создают сложный интерфейс, а затем используют передовые методы характеристики, чтобы попытаться понять его», — сказал он. Грант Джонсон, химик at Тихоокеанская Северо-Западная Национальная Лаборатория (PNNL) который возглавляет программу «Наука о разделении». «Для сравнения, мы не делаем весь интерфейс. Мы готовим каждое изделие отдельно, что позволяет нам изучить отдельные компоненты и то, как они формируются».
Их подход называется мягкой посадкой ионов. Этот метод позволяет ученым увидеть, как отдельные заряженные молекулы или ионы, которые существуют на реальных поверхностях хранения энергии, взаимодействуют с поверхностью электрода и электрическим потенциалом. Он упрощает беспорядочные интерфейсы, которые существуют в реальных системах хранения энергии, в отдельные системы только с одним типом иона и поверхности. Затем исследователи могут исследовать роль каждой молекулы в создании интерфейса.
Мягко приземляющиеся ионы для целенаправленных исследований в области накопления энергии
Мягкая посадка ионов позволяет исследователям выбирать один конкретный тип иона по заряду и размеру. Затем выбранные ионы мягко приземляются на проводящую поверхность. Этот процесс подготавливает точно определенную характеристику интерфейса для реакций выбранных молекул и поверхностного материала.
После того, как интерфейс подготовлен, исследователи могут использовать другие инструменты для изучения взаимодействия поверхности и молекулы. Эта характеристика раскрывает информацию о природе разорванных и образовавшихся на границе раздела химических связей.
Литий-ионные системы, питающие большую часть нашей электроники, могут быть наиболее известными накопителями энергии. Однако исследовательская группа PNNL изучает еще более эффективные и потенциально преобразующие системы хранения энергии. К ним относятся ионы лития-серы, твердые вещества на основе лития и выход за рамки химии лития. Для этого исследования команда начинает с электролитного раствора молекул и мягких земель, выбранных ионов, таких как различные сульфиды лития, на металлическом литии с богатой кислородом поверхностью.
Недавно они обнаружили с одной стороны, отрицательно заряженные ионы лития-серы играют ключевую роль в работе этих новых накопителей энергии на границах раздела. Они обнаружили, что ионы подвергаются многочисленным реакциям, основанным на химии восстановления и окисления серы, а не лития.
Полученные данные объясняют природу связей сера-кислород и связанных с ними прореагировавших молекул, наблюдаемых в устройствах накопления энергии. Работа по мягкой посадке ионов дает объяснение на молекулярном уровне того, почему окисленные формы серы существуют на границах раздела литий-сера. Понимание того, как именно эти важные ионы превращаются в твердые материалы на интерфейсе модели, помогает исследователям анализировать сложные интерфейсы в реальных устройствах.
«Каждый раз, когда мы исследуем, как реагирует отдельный тип молекулы, мы узнаем что-то новое, что создает коллективные знания о формировании интерфейса», — сказал Джонсон.
Понимание интерфейсов, связанных с хранением энергии
Первоначально исследователи PNNL разработали свои возможности мягкой посадки ионов при поддержке программы Министерства энергетики (DOE) по основным энергетическим наукам. Через эту программу, инженер-химик Венки Прабхакаран использовал ионную мягкую посадку для изучения электрохимически активных интерфейсов для разделения. Однако он хотел посмотреть, на что эта техника способна помимо систем разделения. Встреча с физик Виджай Муругесан несколько лет назад ионная мягкая посадка открыла путь в мир накопителей энергии. Муругесан возглавляет основное направление Объединенный центр исследований в области хранения энергии (JCESR), инновационный центр Министерства энергетики США.
«Однажды у меня была встреча с Виджаем по другому поводу, и мы начали говорить о нашем исследовании», — сказал Прабхакаран. «Мы быстро поняли, что ионная мягкая посадка может быть важным инструментом, помогающим ответить на ключевые вопросы в области специализации JCESR, которой руководит Виджей».
Предстоящий переезд команды в Центр энергетических наук упростит их работу и сблизит их для эффективного сотрудничества и экспериментальных исследований.
«В настоящее время нам нужно пройти несколько коридоров, чтобы добраться от лаборатории ионной мягкой посадки до ключевых инструментов для определения характеристик», — сказал Муругесан. Хотя это может показаться недалеко, эта короткая прогулка вызывает проблемы с их высокочувствительными и реактивными образцами. Исследователям приходится использовать специальный «вакуумный чемодан» для транспортировки образцов даже по коридору.
«В Центре энергетических наук наши лаборатории будут находиться рядом друг с другом, — сказал Прабхакаран. «У нас будет соединительная дверь!» Значительно более короткий путь от прибора к прибору означает меньше времени для возможной деградации или загрязнения образца.
Недавняя инновация, взволновавшая команду, заключается в одновременном отборе и осаждении двух видов ионов, одного положительного и одного отрицательного. Такой подход создает более реалистичную модель накопителей энергии. Различные ионы взаимодействуют друг с другом и с поверхностью, что позволяет команде запечатлеть действие на границе раздела.
Некоторые из работ, упомянутых в этой статье, были поддержаны в рамках JCESR, Центра инноваций в области энергетики, финансируемого Министерством энергетики, Управлением науки, программой фундаментальных энергетических наук. Это было сделано в сотрудничестве с Техасским университетом A&M. Помимо Джонсона, Муругасана и Прабхакарана, другими авторами PNNL являются Ки Хэнкинс, Сунгун Ви, Вайтиялингам Шуттанандан, Свадипта Рой, Хуэй Ван, Юян Шао, Сунтарампилаи Тевутхасан и Карл Мюллер. Часть работы была выполнена в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, Национальное научное пользовательское учреждение. Будущая работа будет продолжена в Центре энергетических наук.
Цените оригинальность CleanTechnica? Подумайте о том, чтобы стать Член CleanTechnica, сторонник, технический специалист или посланник - или покровитель на Patreon.
Источник: https://cleantechnica.com/2022/01/16/using-ion-soft-landing-to-solve-hard-energy-problems/
- "
- О нас
- Действие
- активный
- дополнение
- Реклама
- ПЛОЩАДЬ
- гайд
- Авторы
- Облигации
- заряд
- заряженный
- химический
- химия
- Cleantech
- Обсуждение чистых технологий
- ближе
- сотрудничество
- продолжать
- может
- Создающий
- день
- Спрос
- Министерство энергетики
- Министерство энергетики (DOE)
- Развитие
- Устройства
- различный
- DOE
- Электрический
- Electronics
- энергетика
- инженер
- окружающий
- Объект
- Фокус
- форма
- найденный
- фундированный
- будущее
- GUEST
- помощь
- помогает
- Как
- HTTPS
- важную
- individual
- информация
- Инновации
- исследовать
- вовлеченный
- IT
- Джонсон
- Основные
- знания
- Labs
- УЧИТЬСЯ
- привело
- легкий
- литий
- материалы
- металл
- модель
- БОЛЕЕ
- двигаться
- национальный
- Возле
- Другое
- Тихий океан
- Patreon
- Играть
- Подкаст
- мощностью
- процесс
- FitPartner™
- приводит
- ассортимент
- реакции
- реалистичный
- исследованиям
- Итоги
- Наука
- НАУКА
- Ученые
- выбранный
- Короткое
- Размер
- РЕШАТЬ
- удалось
- и политические лидеры
- диск
- исследования
- Кабинет
- поддержка
- Поддержанный
- Поверхность
- системы
- Говорить
- говорить
- снижения вреда
- Технологии
- Техас
- мир
- Через
- время
- вместе
- инструментом
- Transform
- перевозки
- Университет
- us
- Что
- КТО
- Работа
- Мир
- лет