Использование мягкой посадки ионов для решения проблем жесткой энергии

Переиздано Платоном

Читают: 0

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.

Специально созданная установка позволяет исследователям проводить эксперименты по мягкой посадке ионов. (Фото Андреа Старр | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория)

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.

Взгляд на подложку после ионной мягкой посадки. (Фото Андреа Старр | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория)

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.