Använda jon mjuklandning för att lösa problem med hård energi

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Med tillstånd av Pacific Northwest National Laboratory.
By Beth Mundy, PNNL

Varje teknik som styr vår värld kräver energi på begäran. Energi måste lagras och vara tillgänglig för att driva elektroniska apparater och lätta byggnader. Det breda utbudet av enheter som kräver energi vid behov har lett till utvecklingen av många strategier för att lagra energi.

Många energilagring enheter kombinerar kemiska och elektriska processer för att omvandla energi från en form till en annan. Denna process resulterar i ett gränssnitt— handlingsplatsen där två olika material möts och transformeras. För att göra mer effektiva, mer hållbara energilagringsenheter måste forskare kontrollera vad som händer vid och nära dessa gränssnitt. Men det är inte lätt.

"De flesta forskning gör ett komplicerat gränssnitt och använder sedan avancerade karakteriseringstekniker för att försöka förstå det," sa Grant Johnson, kemist at Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) som leder programmet Separationsvetenskap. "I jämförelse gör vi inte hela gränssnittet. Vi förbereder varje del separat, vilket gör att vi kan studera de enskilda komponenterna och hur de bildas.”

Deras tillvägagångssätt kallas jonmjuklandning. Tekniken gör det möjligt för forskare att se hur individuella laddade molekyler, eller joner, som finns vid verkliga energilagringsgränssnitt interagerar med en elektrodyta och en elektrisk potential. Det förenklar de röriga gränssnitten som finns i verkliga energilagringssystem till separata system med bara en typ av jon och ytan. Forskarna kan sedan undersöka vilken roll varje molekyl spelar för att skapa gränssnittet.

Den specialbyggda uppställningen gör det möjligt för forskare att utföra experiment med mjuklandning av joner. (Foto av Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Mjukt landande joner för riktade studier inom energilagring

Mjuklandning av joner gör det möjligt för forskare att välja en enda, specifik typ av jon efter laddning och storlek. De valda jonerna landar sedan försiktigt på en ledande yta. Denna process förbereder ett exakt definierat gränssnitt som är karakteristiskt för reaktionerna av de valda molekylerna och ytmaterialet.

När gränssnittet är förberett kan forskare använda andra instrument för att undersöka hur ytan och molekylen interagerar. Denna karakterisering avslöjar information om naturen hos de kemiska bindningar som bryts och bildas vid gränsytan.

Litiumjonsystem, som driver många av vår elektronik, kan vara de mest välkända energilagringsenheterna. PNNL-forskargruppen undersöker dock ännu mer effektiva och potentiellt transformativa energilagringssystem. Dessa inkluderar litium-svaveljoner, litiumbaserade fasta ämnen och att gå bortom litiumkemi. För denna forskning börjar teamet med en elektrolytlösning av molekyler och mjuka områden utvalda joner, som olika litiumsulfider, på litiummetall med en syrerik yta.

De upptäckte nyligen ett sätt spelar de negativt laddade litium-svaveljonerna en nyckelroll i driften av dessa nya energilagringsenheter vid gränssnitt. De fann att jonerna genomgår flera reaktioner centrerade på reduktion och oxidationskemi av svavel, snarare än litium.

Fynden förklarar arten av svavel-syrebindningarna och relaterade reagerade molekyler som observerats i energilagringsenheter. Jonens mjuklandningsarbete ger en förklaring på molekylär nivå till varför oxiderade former av svavel existerar vid gränsytan mellan litium och svavel. Att förstå exakt hur dessa viktiga joner förvandlas till fasta material vid ett modellgränssnitt hjälper forskare att bryta ner de komplicerade gränssnitten i verkliga enheter.

"Varje gång vi utforskar hur en enskild typ av molekyl reagerar, lär vi oss något nytt som bygger upp kollektiv kunskap om gränssnittsbildning", säger Johnson.

Ta en titt på ett substrat efter mjuklandning av jon. (Foto av Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

Förstå gränssnitten involverade i energilagring

Ursprungligen utvecklade PNNL-forskare sina mjuka jonlandningsförmåga med stöd från Department of Energy (DOE) Basic Energy Sciences Separation Science-program. Genom det programmet, kemiingenjör Venky Prabhakaran använde mjuklandning av joner för att studera elektrokemiskt aktiva gränssnitt för separationer. Han ville dock se vad tekniken kunde göra utöver separationssystem. Ett möte med fysiker Vijay Murugesan för några år sedan ledde till jon-mjuklandning inträde i en värld av energilagring. Murugesan leder ett fokusområde för Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), en DOE Innovation Hub.

"En dag hade jag ett möte med Vijay om något annat och vi började prata om vår forskning," sa Prabhakaran. "Vi insåg snabbt att mjuklandning av joner kan vara ett viktigt verktyg för att hjälpa till att svara på nyckelfrågor inom JCESR:s fokusområde som Vijay leder."

Teamets kommande flytt till Energy Sciences Center kommer att effektivisera deras arbete och föra dem närmare varandra för effektivt samarbete och experimentella studier.

"För närvarande måste vi gå ner i flera korridorer för att komma från labbet för mjuklandning av joner till nyckelkarakteriseringsinstrument," sa Murugesan. Även om det kanske inte verkar långt, orsakar den korta promenaden problem för deras mycket känsliga och reaktiva prover. Forskarna måste använda en speciell "vakuumresväska" för att transportera proverna, även ner i korridoren.

"I Energy Sciences Center kommer våra labb att ligga bredvid varandra," sa Prabhakaran. "Vi kommer att ha en anslutande dörr!" Den betydligt kortare promenaden från instrument till instrument innebär mindre tid för eventuell provnedbrytning eller kontaminering.

En ny innovation som gör teamet upphetsat innebär att man samtidigt väljer och deponerar två sorters joner, en positiv och en negativ. Detta tillvägagångssätt skapar en mer realistisk modell av energilagringsenheter. De olika jonerna interagerar med varandra och med ytan, vilket gör det möjligt för teamet att fånga handlingen vid gränssnittet.

En del av arbetet som nämns i den här artikeln stöddes som en del av JCESR, en energiinnovationsnav finansierad av DOE:s Office of Science, Basic Energy Sciences-programmet. Det gjordes i samarbete med Texas A&M University. Förutom Johnson, Murugesan och Prabhakaran är andra PNNL-författare Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan och Karl Mueller. En del av arbetet utfördes vid Miljömolekylära laboratoriet, en National Scientific User Facility. Det framtida arbetet kommer att fortsätta på Energivetenskapscentrum.

Uppskattar CleanTechnicas originalitet? Överväg att bli en CleanTechnica-medlem, supporter, tekniker eller ambassadör - eller en beskyddare på Patreon.