การใช้ Ion Soft Landing เพื่อแก้ปัญหาพลังงานแข็ง

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

ได้รับความอนุเคราะห์จาก ห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ.
By เบธ มุนดี้ PNNL

ทุกเทคโนโลยีที่ขับเคลื่อนโลกของเรานั้นต้องการพลังงานตามความต้องการ ต้องจัดเก็บพลังงานและสามารถเข้าถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอาคารที่มีแสงสว่างได้ อุปกรณ์ที่หลากหลายซึ่งต้องการพลังงานตามความต้องการได้นำไปสู่การพัฒนากลยุทธ์มากมายในการจัดเก็บพลังงาน

หลาย การจัดเก็บพลังงาน อุปกรณ์รวมกระบวนการทางเคมีและไฟฟ้าเพื่อแปลงพลังงานจากรูปแบบหนึ่งเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง กระบวนการนี้ส่งผลให้อินเทอร์เฟซ—สถานที่ปฏิบัติงานที่วัสดุสองชนิดมาบรรจบกันและแปรสภาพ ในการสร้างอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพและใช้งานได้ยาวนานขึ้น นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องควบคุมสิ่งที่เกิดขึ้นที่และใกล้กับอินเทอร์เฟซเหล่านี้ แต่นั่นไม่ใช่เรื่องง่าย

“การวิจัยส่วนใหญ่สร้างอินเทอร์เฟซที่ซับซ้อน และใช้เทคนิคการระบุลักษณะขั้นสูงเพื่อพยายามทำความเข้าใจ” . กล่าว แกรนท์ จอห์นสัน นักเคมี at ห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ (PNNL) ผู้นำโครงการ Separation Science “ในการเปรียบเทียบ เราไม่ได้สร้างอินเทอร์เฟซทั้งหมด เราเตรียมแต่ละชิ้นแยกกัน ซึ่งช่วยให้เราศึกษาส่วนประกอบแต่ละส่วนและวิธีสร้างได้”

วิธีการของพวกเขาเรียกว่าไอออนอ่อนลงจอด เทคนิคนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นว่าโมเลกุลหรือไอออนที่มีประจุแต่ละโมเลกุลซึ่งมีอยู่ในส่วนต่อประสานการจัดเก็บพลังงานจริงมีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวอิเล็กโทรดและศักย์ไฟฟ้าอย่างไร ลดความซับซ้อนของอินเทอร์เฟซที่ยุ่งเหยิงที่มีอยู่ในระบบจัดเก็บพลังงานจริงให้กลายเป็นระบบที่แยกจากกันด้วยไอออนและพื้นผิวเพียงประเภทเดียว นักวิจัยสามารถตรวจสอบบทบาทของแต่ละโมเลกุลในการสร้างส่วนต่อประสาน

การตั้งค่าที่สร้างขึ้นเองช่วยให้นักวิจัยทำการทดลองลงจอดด้วยไอออนแบบอ่อนได้ (ภาพโดย Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

ไอออนร่อนลงอย่างนุ่มนวลสำหรับการศึกษาเป้าหมายในการจัดเก็บพลังงาน

การลงจอดแบบอ่อนด้วยไอออนช่วยให้นักวิจัยสามารถเลือกไอออนชนิดเฉพาะชนิดเดียวตามประจุและขนาด ไอออนที่เลือกจะร่อนลงบนพื้นผิวที่นำไฟฟ้าอย่างนุ่มนวล กระบวนการนี้เตรียมลักษณะส่วนต่อประสานที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำของปฏิกิริยาของโมเลกุลและวัสดุพื้นผิวที่เลือก

เมื่อเตรียมอินเทอร์เฟซแล้ว นักวิจัยอาจใช้เครื่องมืออื่นๆ เพื่อตรวจสอบว่าพื้นผิวและโมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร ลักษณะนี้เปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับธรรมชาติของพันธะเคมีที่แตกและก่อตัวที่ส่วนต่อประสาน

ระบบลิเธียมไอออนซึ่งให้พลังงานแก่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากของเรา อาจเป็นอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานที่คุ้นเคยที่สุด อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยของ PNNL กำลังสำรวจระบบกักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพและเปลี่ยนแปลงได้ยิ่งกว่าเดิม ซึ่งรวมถึงไอออนลิเธียม-ซัลเฟอร์ ของแข็งที่มีลิเธียมเป็นองค์ประกอบหลัก และการเคลื่อนตัวไปไกลกว่าเคมีลิเธียม สำหรับงานวิจัยนี้ ทีมงานได้เริ่มด้วยสารละลายอิเล็กโทรไลต์ของโมเลกุลและไอออนที่คัดเลือกมาในบริเวณที่อ่อนนุ่ม เช่น ลิเธียมซัลไฟด์ต่างๆ บนโลหะลิเธียมที่มีพื้นผิวที่อุดมด้วยออกซิเจน

เพิ่งค้นพบ วิธีหนึ่งที่ไอออนลิเธียมกำมะถันที่มีประจุลบมีบทบาทสำคัญในการทำงานของอุปกรณ์เก็บพลังงานใหม่เหล่านี้ที่ส่วนต่อประสาน พวกเขาพบว่าไอออนเกิดปฏิกิริยาหลายอย่างโดยเน้นที่เคมีรีดักชันและออกซิเดชันของกำมะถัน แทนที่จะเป็นลิเธียม

การค้นพบนี้อธิบายธรรมชาติของพันธะซัลเฟอร์-ออกซิเจนและโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกันซึ่งสังเกตพบในอุปกรณ์กักเก็บพลังงาน งานลงจอดแบบอ่อนของไอออนให้คำอธิบายระดับโมเลกุลว่าทำไมรูปแบบออกซิไดซ์ของกำมะถันจึงมีอยู่ที่ส่วนต่อประสานลิเธียม - กำมะถัน การทำความเข้าใจว่าไอออนที่สำคัญเหล่านี้กลายเป็นวัสดุแข็งที่อินเทอร์เฟซของแบบจำลองอย่างไรช่วยให้นักวิจัยสามารถแยกส่วนต่อประสานที่ซับซ้อนในอุปกรณ์จริงได้

“ทุกครั้งที่เราสำรวจว่าโมเลกุลแต่ละประเภทมีปฏิกิริยาอย่างไร เราเรียนรู้สิ่งใหม่ที่สร้างความรู้โดยรวมเกี่ยวกับการก่อตัวของส่วนต่อประสาน” จอห์นสันกล่าว

มองดูพื้นผิวหลังจากลงสู่พื้นอย่างอ่อนของไอออน (ภาพโดย Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

การทำความเข้าใจอินเทอร์เฟซที่เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บพลังงาน

ในขั้นต้นนักวิจัยของ PNNL ได้พัฒนาความสามารถในการเชื่อมโยงไปถึงไอออนแบบอ่อนโดยได้รับการสนับสนุนจากโครงการวิทยาศาสตร์การแยกวิทยาศาสตร์พลังงานขั้นพื้นฐานของ Department of Energy (DOE) ผ่านโปรแกรมนั้น วิศวกรเคมี Venky Prabhakaran ใช้ไอออนแบบอ่อนลงเพื่อศึกษาส่วนต่อประสานที่ทำงานด้วยไฟฟ้าเคมีสำหรับการแยกสาร อย่างไรก็ตาม เขาต้องการดูว่าเทคนิคนี้ทำอะไรได้บ้างนอกเหนือจากระบบแยก พบกับ วิชัย มูรูเกซัน นักฟิสิกส์ ไม่กี่ปีที่ผ่านมาทำให้เกิดการเข้าสู่โลกแห่งการจัดเก็บพลังงานของไอออนซอฟต์แลนดิ้ง Murugesan เป็นผู้นำพื้นที่โฟกัสสำหรับ ศูนย์ร่วมวิจัยการจัดเก็บพลังงาน (JCESR)ศูนย์กลางนวัตกรรมของ DOE

“วันหนึ่ง ฉันได้พบปะกับวิชัยเกี่ยวกับเรื่องอื่น และเราก็เริ่มพูดถึงงานวิจัยของเรา” ปราภาการันกล่าว “เราตระหนักได้อย่างรวดเร็วว่าการลงจอดแบบอิออนซอฟต์แลนดิ้งอาจเป็นเครื่องมือสำคัญในการช่วยตอบคำถามสำคัญในพื้นที่โฟกัส JCESR ที่วิเจย์เป็นผู้นำ”

การย้ายทีมไปที่ศูนย์วิทยาศาสตร์พลังงานที่กำลังจะเกิดขึ้นจะทำให้งานของพวกเขาคล่องตัวและทำให้พวกเขาใกล้ชิดกันมากขึ้นเพื่อการทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิภาพและการศึกษาทดลอง

“ปัจจุบัน เราต้องเดินลงไปตามทางเดินหลายๆ ทางเพื่อไปจากห้องทดลองไอออนแบบอ่อนไปยังเครื่องมือกำหนดลักษณะเฉพาะหลัก” Murugesan กล่าว แม้ว่าจะดูไม่ไกลนัก แต่การเดินระยะสั้นๆ นั้นทำให้เกิดปัญหากับตัวอย่างที่มีความไวสูงและไวต่อปฏิกิริยาของพวกมัน นักวิจัยต้องใช้ "กระเป๋าเดินทางสูญญากาศ" พิเศษในการขนส่งตัวอย่าง แม้กระทั่งลงไปที่ห้องโถง

“ในศูนย์วิทยาศาสตร์พลังงาน ห้องปฏิบัติการของเราจะตั้งอยู่ติดกัน” Prabhakaran กล่าว “เราจะมีประตูเชื่อมถึงกัน!” การเดินจากเครื่องมือหนึ่งไปยังอีกเครื่องหนึ่งที่สั้นลงอย่างมากหมายถึงเวลาน้อยลงสำหรับการย่อยสลายหรือการปนเปื้อนของตัวอย่างที่อาจเกิดขึ้นได้

นวัตกรรมล่าสุดที่ทำให้ทีมตื่นเต้นคือการเลือกและฝากไอออนสองชนิดพร้อมกัน หนึ่งประจุบวกและหนึ่งประจุลบ วิธีการนี้สร้างแบบจำลองอุปกรณ์เก็บพลังงานที่เหมือนจริงมากขึ้น อิออนต่างๆ โต้ตอบกันและพื้นผิว ทำให้ทีมสามารถจับภาพการกระทำที่อินเทอร์เฟซ

งานบางชิ้นที่กล่าวถึงในบทความนี้ได้รับการสนับสนุนโดยเป็นส่วนหนึ่งของ JCESR ซึ่งเป็นศูนย์นวัตกรรมด้านพลังงานซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจากโครงการ DOE's, Office of Science, Basic Energy Sciences ดำเนินการร่วมกับมหาวิทยาลัย Texas A&M นอกจาก Johnson, Murugesan และ Prabhakaran แล้ว ผู้เขียน PNNL คนอื่นๆ ได้แก่ Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan และ Karl Mueller ได้ดำเนินการบางส่วนแล้ว ที่ห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์โมเลกุลสิ่งแวดล้อมสถานผู้ใช้วิทยาศาสตร์แห่งชาติ งานในอนาคตจะดำเนินต่อไปที่ศูนย์วิทยาศาสตร์พลังงาน

ชื่นชมความคิดริเริ่มของ CleanTechnica หรือไม่? พิจารณาเป็นไฟล์ CleanTechnica สมาชิกผู้สนับสนุนช่างเทคนิคหรือเอกอัครราชทูต - หรือผู้อุปถัมภ์ Patreon.