Sử dụng Ion Soft Landing để giải quyết các vấn đề về năng lượng cứng

Biếu không của Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương.
By Beth Mundy, PNNL

Mọi công nghệ vận hành thế giới của chúng ta đều cần năng lượng theo yêu cầu. Năng lượng phải được lưu trữ và có thể tiếp cận được để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử và các tòa nhà nhẹ. Sự đa dạng của các thiết bị yêu cầu năng lượng theo nhu cầu đã dẫn đến sự phát triển của nhiều chiến lược lưu trữ năng lượng.

nhiều lưu trữ năng lượng các thiết bị kết hợp các quá trình hóa học và điện để chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Quá trình này dẫn đến một giao diện—nơi hoạt động nơi hai vật liệu khác nhau gặp nhau và biến đổi. Để tạo ra các thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn, bền lâu hơn, các nhà khoa học cần kiểm soát những gì xảy ra tại và gần các bề mặt này. Nhưng điều đó không dễ dàng.

“Hầu hết các nghiên cứu đều tạo ra một giao diện phức tạp và sau đó sử dụng các kỹ thuật mô tả đặc tính nâng cao để cố gắng hiểu nó,” cho biết. Grant Johnson, một nhà hóa học at Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) người dẫn dắt chương trình Khoa học Phân tách. “Để so sánh, chúng tôi không tạo ra toàn bộ giao diện. Chúng tôi chuẩn bị từng phần riêng biệt, điều này cho phép chúng tôi nghiên cứu từng thành phần riêng lẻ và cách chúng hình thành.”

Cách tiếp cận của họ được gọi là hạ cánh mềm ion. Kỹ thuật này cho phép các nhà khoa học xem cách các phân tử tích điện hoặc ion riêng lẻ tồn tại ở các bề mặt lưu trữ năng lượng thực tế tương tác với bề mặt điện cực và điện thế. Nó đơn giản hóa các giao diện lộn xộn tồn tại trong các hệ thống lưu trữ năng lượng thực thành các hệ thống riêng biệt chỉ với một loại ion và bề mặt. Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu vai trò của từng phân tử trong việc tạo ra giao diện.

Các ion hạ cánh nhẹ nhàng cho các nghiên cứu có mục tiêu về lưu trữ năng lượng

Hạ cánh mềm ion cho phép các nhà nghiên cứu chọn một loại ion cụ thể theo điện tích và kích thước. Các ion được chọn sau đó sẽ rơi nhẹ nhàng trên bề mặt dẫn điện. Quá trình này chuẩn bị một đặc tính giao diện được xác định chính xác cho các phản ứng của các phân tử và vật liệu bề mặt được chọn.

Sau khi chuẩn bị xong giao diện, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các công cụ khác để kiểm tra xem bề mặt và phân tử tương tác như thế nào. Đặc tính này tiết lộ thông tin về bản chất của các liên kết hóa học bị phá vỡ và hình thành ở bề mặt tiếp xúc.

Hệ thống lithium-ion, cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị điện tử của chúng ta, có thể là thiết bị lưu trữ năng lượng quen thuộc nhất. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu PNNL đang khám phá các hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn và có khả năng biến đổi hơn. Chúng bao gồm các ion lithium-lưu huỳnh, chất rắn gốc lithium và vượt ra ngoài lĩnh vực hóa học lithium. Đối với nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu bắt đầu với dung dịch điện phân gồm các phân tử và các ion chọn lọc tạo vùng đất mềm, giống như các loại lithium sulfua khác nhau, trên kim loại lithium có bề mặt giàu oxy.

Gần đây họ đã phát hiện ra một mặt, các ion lithium-lưu huỳnh tích điện âm đóng vai trò then chốt trong hoạt động của các thiết bị lưu trữ năng lượng mới này tại các bề mặt. Họ phát hiện ra rằng các ion trải qua nhiều phản ứng tập trung vào tính chất hóa học khử và oxy hóa của lưu huỳnh, thay vì lithium.

Những phát hiện này giải thích bản chất của liên kết lưu huỳnh-oxy và các phân tử phản ứng liên quan được quan sát thấy trong các thiết bị lưu trữ năng lượng. Công trình hạ cánh mềm ion cung cấp lời giải thích ở cấp độ phân tử về lý do tại sao các dạng lưu huỳnh bị oxy hóa tồn tại ở các bề mặt tiếp xúc lithium-lưu huỳnh. Hiểu chính xác cách các ion quan trọng này biến thành vật liệu rắn ở bề mặt mô hình giúp các nhà nghiên cứu phá vỡ các bề mặt phức tạp trong các thiết bị thực.

Johnson cho biết: “Mỗi lần chúng tôi khám phá cách một loại phân tử riêng lẻ phản ứng, chúng tôi lại học được điều gì đó mới giúp xây dựng kiến ​​thức chung về sự hình thành giao diện”.

Hiểu các giao diện liên quan đến việc lưu trữ năng lượng

Ban đầu, các nhà nghiên cứu PNNL đã phát triển khả năng hạ cánh mềm ion của họ với sự hỗ trợ từ chương trình Khoa học Phân tách Khoa học Năng lượng Cơ bản của Bộ Năng lượng (DOE). Thông qua chương trình đó, kỹ sư hóa học Venky Prabhakaran đã sử dụng phương pháp hạ cánh mềm ion để nghiên cứu các giao diện hoạt động điện hóa để phân tách. Tuy nhiên, ông muốn xem kỹ thuật này có thể làm được những gì ngoài hệ thống phân tách. Một cuộc họp với nhà vật lý Vijay Murugesan một vài năm trước đây đã mang lại sự xâm nhập của ion mềm vào thế giới lưu trữ năng lượng. Murugesan dẫn đầu một lĩnh vực trọng tâm cho Trung tâm nghiên cứu lưu trữ năng lượng chung (JCESR), một Trung tâm đổi mới DOE.

Prabhakaran cho biết: “Một ngày nọ, tôi gặp Vijay về một vấn đề khác và chúng tôi bắt đầu nói chuyện về nghiên cứu của mình. “Chúng tôi nhanh chóng nhận ra rằng hạ cánh mềm ion có thể là một công cụ quan trọng giúp trả lời các câu hỏi chính trong lĩnh vực trọng tâm của JCESR mà Vijay dẫn đầu”.

Việc nhóm sắp chuyển đến Trung tâm Khoa học Năng lượng sẽ hợp lý hóa công việc của họ và đưa họ đến gần nhau hơn để thực hiện các nghiên cứu thử nghiệm và hợp tác hiệu quả.

Murugesan cho biết: “Hiện tại, chúng tôi phải đi qua một số hành lang để đi từ phòng thí nghiệm hạ cánh mềm ion đến các thiết bị mô tả đặc tính quan trọng”. Mặc dù khoảng cách đó có vẻ không xa nhưng khoảng cách đi bộ ngắn đó gây ra vấn đề cho các mẫu có độ nhạy cao và phản ứng mạnh. Các nhà nghiên cứu phải sử dụng một chiếc “vali chân không” đặc biệt để vận chuyển mẫu, thậm chí xuống hành lang.

Prabhakaran cho biết: “Tại Trung tâm Khoa học Năng lượng, các phòng thí nghiệm của chúng tôi sẽ ở ngay cạnh nhau”. “Chúng ta sẽ có một cánh cửa nối!” Khoảng cách từ thiết bị này đến thiết bị khác ngắn hơn đáng kể đồng nghĩa với việc mất ít thời gian hơn cho khả năng phân hủy hoặc nhiễm bẩn mẫu.

Một cải tiến gần đây khiến nhóm nghiên cứu rất hào hứng liên quan đến việc đồng thời chọn lọc và lắng đọng hai loại ion, một ion dương và một ion âm. Cách tiếp cận này tạo ra một mô hình thực tế hơn về các thiết bị lưu trữ năng lượng. Các ion khác nhau tương tác với nhau và bề mặt, cho phép nhóm nắm bắt được hoạt động tại giao diện.

Một số công việc được đề cập trong bài viết này được hỗ trợ như một phần của JCESR, một Trung tâm Đổi mới Năng lượng được tài trợ bởi chương trình Khoa học Năng lượng Cơ bản, Văn phòng Khoa học, của DOE. Nó được thực hiện với sự cộng tác của Đại học Texas A&M. Ngoài Johnson, Murugesan và Prabhakaran, các tác giả PNNL khác là Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan và Karl Mueller. Một phần công việc đã được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Khoa học Phân tử Môi trường, Cơ sở sử dụng khoa học quốc gia. Công việc trong tương lai sẽ tiếp tục tại Trung tâm Khoa học Năng lượng.

 

Đánh giá cao sự độc đáo của CleanTechnica? Xem xét trở thành một Thành viên, Người hỗ trợ, Kỹ thuật viên hoặc Đại sứ của CleanTechnica - hoặc một khách hàng quen trên Patreon.

 

 

---

quảng cáo  

---

---

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