Using Ion Soft Landing To Solve Hard Energy Problems

Перевидано Платоном

читають: 0

Надано Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія.
By Бет Манді, PNNL

Кожна технологія, яка керує нашим світом, потребує енергії за потребою. Енергія має зберігатися та бути доступною для живлення електронних пристроїв та освітлення будівель. Широкий спектр пристроїв, які потребують енергії за потребою, призвів до розробки численних стратегій для зберігання енергії.

Багато зберігання енергії пристрої поєднують хімічні та електричні процеси для перетворення енергії з однієї форми в іншу. Результатом цього процесу є інтерфейс— місце дії, де зустрічаються і перетворюються два різні матеріали. Щоб створити більш ефективні й довговічні накопичувачі енергії, вченим потрібно контролювати те, що відбувається на цих інтерфейсах і поблизу них. Але це нелегко.

«Більшість досліджень створюють складний інтерфейс, а потім використовують передові методи характеристики, щоб спробувати його зрозуміти», — сказав Грант Джонсон, хімік at Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія (PNNL) який веде програму Separation Science. «Для порівняння, ми не створюємо весь інтерфейс. Ми готуємо кожен шматок окремо, що дозволяє нам вивчати окремі компоненти та те, як вони формуються».

Їхній підхід називається іонна м'яка посадка. Цей метод дозволяє вченим побачити, як окремі заряджені молекули або іони, які існують на реальних інтерфейсах зберігання енергії, взаємодіють з поверхнею електрода та електричним потенціалом. Це спрощує безладні інтерфейси, які існують у реальних системах накопичення енергії, в окремі системи лише з одним типом іонів і поверхнею. Потім дослідники можуть досліджувати роль кожної молекули у створенні інтерфейсу.

Спеціальна установка дозволяє дослідникам проводити експерименти з м’якою посадкою іонів. (Фото Андреа Старр | Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія)

Іони з м’якою посадкою для цілеспрямованих досліджень зберігання енергії

М’яка посадка іонів дозволяє дослідникам вибрати один конкретний тип іонів за зарядом і розміром. Потім вибрані іони м’яко сідають на провідну поверхню. Цей процес готує точно визначену межу розділу, характерну для реакцій вибраних молекул і матеріалу поверхні.

Коли поверхня підготовлена, дослідники можуть використовувати інші інструменти, щоб перевірити, як поверхня та молекула взаємодіють. Ця характеристика розкриває інформацію про природу хімічних зв’язків, що розриваються та утворюються на межі розділу.

Літій-іонні системи, які живлять багато нашої електроніки, можуть бути найвідомішими накопичувачами енергії. Проте дослідницька група PNNL досліджує ще більш ефективні та потенційно трансформаційні системи зберігання енергії. До них належать іони літію та сірки, тверді речовини на основі літію та вихід за межі хімії літію. Для цього дослідження команда починає з електролітного розчину молекул і м’якої землі вибраних іонів, таких як різні сульфіди літію, на металевому літії з поверхнею, багатою киснем.

Вони нещодавно виявили з одного боку, негативно заряджені іони літію та сірки відіграють ключову роль у роботі цих нових накопичувачів енергії на інтерфейсах. Вони виявили, що іони піддаються численним реакціям, зосередженим на хімії відновлення та окислення сірки, а не літію.

Отримані дані пояснюють природу сірчано-кисневих зв’язків і відповідних прореагованих молекул, які спостерігаються в накопичувачах енергії. Робота з м’якої посадки іонів дає пояснення на молекулярному рівні того, чому на межі розділу літій-сірка існують окислені форми сірки. Розуміння того, як ці важливі іони перетворюються на тверді матеріали на модельному інтерфейсі, допомагає дослідникам зламати складні інтерфейси в реальних пристроях.

«Кожного разу, коли ми досліджуємо, як реагує окремий тип молекули, ми дізнаємося щось нове, що формує колективні знання про формування інтерфейсу», — сказав Джонсон.

Погляд на підкладку після м’якої посадки іонів. (Фото Андреа Старра | Тихоокеанська північно-західна національна лабораторія)

Розуміння інтерфейсів, задіяних у накопиченні енергії

Спочатку дослідники PNNL розробили свої можливості для м’якої посадки іонів за підтримки програми «Наука про розділення фундаментальних енергетичних наук» Департаменту енергетики (DOE). Через цю програму, інженер-хімік Венкі Прабхакаран використав м’яку посадку іонів для дослідження електрохімічно активних поверхонь розділення. Однак він хотів побачити, що ця техніка може зробити за межами систем розділення. Зустріч с фізик Віджай Муругесан Кілька років тому принесли ion soft landing вихід у світ зберігання енергії. Муругесан очолює напрямок для Об’єднаний центр досліджень накопичення енергії (JCESR), інноваційний центр DOE.

«Одного разу я зустрівся з Віджаєм про щось інше, і ми почали говорити про наше дослідження», — сказав Прабхакаран. «Ми швидко зрозуміли, що м’яке приземлення іонів може бути важливим інструментом, який допоможе відповісти на ключові запитання у сфері JCESR, яку очолює Віджай».

Майбутній переїзд команди до Центру енергетичних наук оптимізує їхню роботу та зблизить їх для ефективної співпраці та експериментальних досліджень.

«Наразі нам доводиться пройти кількома коридорами, щоб дістатися від лабораторії м’якої посадки іонів до ключових інструментів для визначення характеристик», — сказав Муругесан. Хоча це може здатися невеликим, така коротка прогулянка створює проблеми для їхніх високочутливих і реактивних зразків. Дослідникам доводиться використовувати спеціальну «вакуумну валізу», щоб транспортувати зразки навіть по коридору.

«У Центрі енергетичних наук наші лабораторії будуть поруч одна з одною», — сказав Прабхакаран. «У нас будуть сполучні двері!» Значно коротший прохід від приладу до приладу означає менше часу для можливого розкладання або забруднення зразка.

Нещодавнє нововведення, яке захопило команду, передбачає одночасний вибір і депонування двох видів іонів, одного позитивного та одного негативного. Такий підхід створює більш реалістичну модель накопичувачів енергії. Різні іони взаємодіють один з одним і поверхнею, дозволяючи команді фіксувати дію на межі розділу.

Деякі роботи, згадані в цій статті, були підтримані в рамках JCESR, енергетичного інноваційного центру, який фінансується Управлінням науки Міністерства енергетики, програмою базових енергетичних наук. Це було зроблено у співпраці з Техаським університетом A&M. Окрім Джонсона, Муругесана та Прабхакарана, іншими авторами PNNL є Кі Ханкінс, Сунгун Ві, Вайтіялінгам Шуттханандан, Свадіпта Рой, Хуей Ван, Юян Шао, Сунтарампіллай Тевутасан і Карл Мюллер. Частину робіт виконано в Лабораторії молекулярних наук про навколишнє середовище, національна наукова організація користувачів. Подальші роботи триватимуть у Центрі енергетичних наук.

Цінуєте оригінальність CleanTechnica? Подумайте про те, щоб стати Член, прихильник, технік або посол CleanTechnica - або покровитель на Patreon.