Sert Enerji Sorunlarını Çözmek için İyon Yumuşak İnişi Kullanma

Nezaket Kuzeybatı Pasifik Ulusal Laboratuvarı.
By Beth Mundy, PNNL

Dünyamızı çalıştıran her teknoloji, talep üzerine enerji gerektirir. Enerji depolanmalı ve elektronik cihazlara ve hafif binalara güç sağlamak için erişilebilir olmalıdır. Talep üzerine enerji gerektiren cihazların geniş yelpazesi, enerji depolamak için çok sayıda stratejinin geliştirilmesine yol açmıştır.

çok enerji depolama cihazlar, enerjiyi bir formdan diğerine dönüştürmek için kimyasal ve elektriksel süreçleri birleştirir. Bu işlem bir arayüzle sonuçlanır— iki farklı malzemenin buluştuğu ve dönüştüğü eylem yeri. Daha verimli, daha uzun ömürlü enerji depolama cihazları yapmak için bilim adamlarının bu arayüzlerde ve yakınında olup bitenleri kontrol etmesi gerekiyor. Ama bu kolay değil.

"Çoğu araştırma karmaşık bir arayüz oluşturuyor ve ardından onu anlamaya çalışmak için gelişmiş karakterizasyon tekniklerini kullanıyor" dedi. Grant Johnson, kimyager at Kuzeybatı Pasifik Ulusal Laboratuvarı (PNNL) Ayrılık Bilimi programını yöneten kişi. “Karşılaştırıldığında, arayüzün tamamını biz yapmıyoruz. Her parçayı ayrı ayrı hazırlıyoruz, bu da ayrı ayrı bileşenleri ve bunların nasıl oluştuğunu incelememize olanak sağlıyor."

Yaklaşımlarına iyon yumuşak iniş adı veriliyor. Bu teknik, bilim adamlarının, gerçek enerji depolama arayüzlerinde bulunan bireysel yüklü moleküllerin veya iyonların, elektrot yüzeyi ve elektrik potansiyeli ile nasıl etkileşime girdiğini görmesine olanak tanır. Gerçek enerji depolama sistemlerinde mevcut olan karmaşık arayüzleri, tek tip iyon ve yüzeye sahip ayrı sistemlere basitleştirir. Araştırmacılar daha sonra her molekülün arayüzün oluşturulmasında oynadığı rolü araştırabilirler.

Özel olarak oluşturulmuş kurulum, araştırmacıların iyon yumuşak iniş deneyleri yapmasına olanak tanır. (Fotoğraf: Andrea Starr | Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı)

Enerji depolamada hedefe yönelik çalışmalar için yumuşak iniş yapan iyonlar

İyonun yumuşak inişi, araştırmacıların yüke ve boyuta göre tek ve spesifik bir iyon tipini seçmesine olanak tanır. Seçilen iyonlar daha sonra iletken bir yüzeye yavaşça iner. Bu işlem, seçilen moleküllerin ve yüzey malzemesinin reaksiyonlarının kesin olarak tanımlanmış bir arayüz karakteristiğini hazırlar.

Arayüz hazırlandıktan sonra araştırmacılar, yüzey ve molekülün nasıl etkileşime girdiğini incelemek için başka araçlar kullanabilirler. Bu karakterizasyon, arayüzeyde kırılan ve oluşan kimyasal bağların doğası hakkında bilgi verir.

Elektroniklerimizin çoğuna güç sağlayan lityum iyon sistemleri, en bilinen enerji depolama cihazları olabilir. Ancak PNNL araştırma ekibi daha verimli ve potansiyel olarak dönüştürücü enerji depolama sistemlerini araştırıyor. Bunlar lityum-kükürt iyonlarını, lityum bazlı katıları ve lityum kimyasının ötesine geçmeyi içerir. Bu araştırma için ekip, oksijen açısından zengin bir yüzeye sahip lityum metali üzerinde çeşitli lityum sülfürler gibi seçilmiş iyonlardan ve moleküllerden oluşan bir elektrolit çözeltisiyle başlıyor.

Yakın zamanda keşfettiler Bir yandan negatif yüklü lityum-kükürt iyonları, bu yeni enerji depolama cihazlarının arayüzlerde çalışmasında önemli bir rol oynuyor. İyonların, lityumdan ziyade kükürtün indirgenme ve oksidasyon kimyasına odaklanan çoklu reaksiyonlara maruz kaldıklarını buldular.

Bulgular, enerji depolama cihazlarında gözlemlenen kükürt-oksijen bağlarının ve ilgili reaksiyona giren moleküllerin doğasını açıklıyor. İyon yumuşak iniş çalışması, lityum-kükürt arayüzlerinde neden oksitlenmiş kükürt formlarının mevcut olduğuna dair moleküler düzeyde bir açıklama sağlar. Bu önemli iyonların bir model arayüzde katı malzemelere nasıl dönüştüğünü tam olarak anlamak, araştırmacıların gerçek cihazlardaki karmaşık arayüzleri parçalamasına yardımcı olur.

Johnson, "Bireysel bir molekül türünün nasıl tepki verdiğini her araştırdığımızda, arayüz oluşumu hakkında kolektif bilgi oluşturan yeni bir şey öğreniyoruz" dedi.

İyon yumuşak inişinden sonra bir alt tabakaya göz atmak. (Fotoğraf: Andrea Starr | Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı)

Enerji depolamada yer alan arayüzleri anlamak

Başlangıçta, PNNL araştırmacıları iyon yumuşak iniş yeteneklerini Enerji Bakanlığı (DOE) Temel Enerji Bilimleri Ayırma Bilimi programının desteğiyle geliştirdiler. O program aracılığıyla, kimya mühendisi Venky Prabhakaran ayırmalar için elektrokimyasal olarak aktif arayüzleri incelemek için iyon yumuşak inişini kullandı. Ancak tekniğin ayırma sistemlerinin ötesinde neler yapabileceğini görmek istedi. ile bir toplantı fizikçi Vijay Murugesan Birkaç yıl önce iyon yumuşak inişin enerji depolama dünyasına girişini sağladı. Murugesan, aşağıdakiler için bir odak alanına öncülük ediyor: Ortak Enerji Depolama Araştırma Merkezi (JCESR), bir DOE İnovasyon Merkezi.

Prabhakaran, "Bir gün Vijay ile başka bir konu hakkında toplantı yaptım ve araştırmamız hakkında konuşmaya başladık" dedi. "İyon yumuşak inişin, Vijay'in önderlik ettiği JCESR odak alanındaki önemli soruların yanıtlanmasına yardımcı olacak önemli bir araç olabileceğini kısa sürede fark ettik."

Ekibin yakında Enerji Bilimleri Merkezi'ne taşınması, çalışmalarını kolaylaştıracak ve verimli işbirliği ve deneysel çalışmalar için onları birbirine yaklaştıracak.

Murugesan, "Şu anda iyon yumuşak iniş laboratuvarından temel karakterizasyon araçlarına ulaşmak için birkaç koridordan geçmemiz gerekiyor" dedi. Bu çok uzak görünmese de, bu kısa yürüyüş son derece hassas ve reaktif numuneler için sorunlara neden oluyor. Araştırmacıların örnekleri koridorun aşağısına bile taşımak için özel bir "vakum çantası" kullanması gerekiyor.

Prabhakaran, "Enerji Bilimleri Merkezi'nde laboratuvarlarımız yan yana olacak" dedi. “Bir bağlantı kapımız olacak!” Cihazdan cihaza önemli ölçüde daha kısa yürüyüş, numunenin olası bozulması veya kontaminasyonu için daha az zaman anlamına gelir.

Ekibi heyecanlandıran yeni bir yenilik, biri pozitif, diğeri negatif olmak üzere iki tür iyonun aynı anda seçilip bırakılmasını içeriyor. Bu yaklaşım, enerji depolama cihazlarının daha gerçekçi bir modelini oluşturur. Farklı iyonlar birbirleriyle ve yüzeyle etkileşime girerek ekibin arayüzdeki eylemi yakalamasını sağlar.

Bu makalede bahsedilen çalışmalardan bazıları, DOE'nin Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimleri programı tarafından finanse edilen bir Enerji İnovasyon Merkezi olan JCESR'nin bir parçası olarak desteklenmiştir. Teksas A&M Üniversitesi ile işbirliği içinde yapıldı. Johnson, Murugesan ve Prabhakaran'a ek olarak diğer PNNL yazarları Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan ve Karl Mueller'dir. Çalışmanın bir kısmı gerçekleştirildi Çevresel Moleküler Bilimler Laboratuvarı'nda, Ulusal Bilimsel Kullanıcı Tesisi. Gelecekteki çalışmalar Enerji Bilimleri Merkezi'nde devam edecek.

CleanTechnica'nın özgünlüğünü takdir etmek ister misiniz? Bir CleanTechnica Üyesi, Destekleyen, Teknisyen veya Büyükelçi - veya bir patron Patreon.

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