礼貌 太平洋西北国家实验室.
By 贝丝·蒙迪，PNNL
运行我们世界的每一项技术都需要按需提供能源。能源必须被储存起来并可供电力电子设备和照明建筑使用。各种各样的设备需要按需提供能源，这导致了许多存储能源策略的发展。
更多来自Google的 储能 设备结合化学和电气过程，将能量从一种形式转换为另一种形式。 这个过程会产生一个接口——两种不同材料相遇并转变的作用场所。为了制造更高效、更持久的能量存储设备，科学家需要控制这些界面处及其附近发生的情况。但这并不容易。
“大多数研究都会制作一个复杂的界面，然后使用先进的表征技术来尝试理解它，”说 格兰特·约翰逊，化学家 at 太平洋西北国家实验室（PNNL） 谁领导分离科学项目。 “相比之下，我们并没有制作整个界面。我们单独准备每一块，这使我们能够研究各个组件及其形成方式。”
他们的方法被称为离子软着陆。该技术使科学家能够了解真实能量存储界面上存在的单个带电分子或离子如何与电极表面和电势相互作用。它将真实能量存储系统中存在的混乱界面简化为仅具有一种类型的离子和表面的单独系统。然后研究人员可以研究每个分子在创建界面中所扮演的角色。
定制的设置允许研究人员进行离子软着陆实验。 （安德里亚·斯塔尔摄 | 太平洋西北国家实验室）
用于能量存储定向研究的软着陆离子
离子软着陆使研究人员能够根据电荷和尺寸选择单一、特定类型的离子。然后，选定的离子轻轻地落在导电表面上。该过程制备了所选分子和表面材料反应的精确定义的界面特征。
一旦界面准备好，研究人员就可以使用其他仪器来检查表面和分子如何相互作用。这种表征揭示了有关界面处断裂和形成的化学键性质的信息。
为我们的许多电子产品提供动力的锂离子系统可能是我们最熟悉的储能设备。然而，PNNL 研究团队正在探索更高效且具有潜在变革性的储能系统。其中包括锂硫离子、锂基固体以及锂化学以外的领域。在这项研究中，该团队首先使用分子电解质溶液和软土地选择离子，如各种硫化锂，在具有富氧表面的锂金属上。
他们最近发现 一种方式是，带负电的锂硫离子在这些新能源存储设备的界面运行中发挥着关键作用。他们发现这些离子会发生多种反应，主要集中在硫而不是锂的还原和氧化化学上。
这些发现解释了在储能设备中观察到的硫氧键和相关反应分子的性质。离子软着陆工作为为什么锂-硫界面上存在氧化形式的硫提供了分子水平的解释。准确了解这些重要离子如何在模型界面处转变为固体材料有助于研究人员分解实际设备中的复杂界面。
“每次我们探索单个类型的分子如何反应时，我们都会学到一些新的东西，从而建立有关界面形成的集体知识，”约翰逊说。
离子软着陆后观察基板。 （安德里亚·斯塔尔摄 | 太平洋西北国家实验室）
了解储能涉及的接口
最初，PNNL 研究人员在能源部 (DOE) 基础能源科学分离科学项目的支持下开发了离子软着陆能力。通过该计划， 化学工程师文基·普拉巴卡兰 使用离子软着陆来研究用于分离的电化学活性界面。然而，他想看看该技术除了分离系统之外还能做什么。与会面 物理学家维杰·穆鲁格桑 几年前，离子软着陆进入了储能领域。 Murugesan 领导了一个重点领域 储能研究联合中心 (JCESR)，能源部创新中心。
“有一天，我与维杰就其他事情进行了会面，我们开始谈论我们的研究，”普拉巴卡兰说。 “我们很快意识到离子软着陆可能是帮助回答 Vijay 领导的 JCESR 重点领域关键问题的重要工具。”
该团队即将搬到能源科学中心，这将简化他们的工作，并使他们更加紧密地联系在一起，以进行高效的合作和实验研究。
“目前，我们必须经过几条走廊才能从离子软着陆实验室到达关键的表征仪器，”穆鲁格桑说。虽然这看起来似乎并不遥远，但这段短暂的步行却给高度敏感和反应性的样品带来了问题。研究人员必须使用特殊的“真空手提箱”来运输样本，甚至沿着大厅运输。
“在能源科学中心，我们的实验室将彼此相邻，”普拉巴卡兰说。 “我们会有一扇连通门！”从仪器到仪器的步行距离显着缩短，意味着样品可能降解或污染的时间更短。
最近令团队兴奋的一项创新涉及同时选择和沉积两种离子，一种是正离子，一种是负离子。这种方法创建了一个更现实的能量存储设备模型。不同的离子彼此之间以及表面相互作用，使团队能够捕捉界面处的动作。
本文提到的一些工作得到了 JCESR 的支持，JCESR 是一个由美国能源部科学办公室基础能源科学项目资助的能源创新中心。这是与德克萨斯农工大学合作完成的。除了 Johnson、Murugesan 和 Prabhakaran 之外，PNNL 的其他作者还有 Kie Hankins、Sungun Wi、Vaithiyalingam Shutthanandan、Swadipta Roy、Hui Wang、Yuyan Shao、Suntharampillai Thevuthasan 和 Karl Mueller。已完成部分工作 在环境分子科学实验室，国家科学用户设施。未来的工作将在能源科学中心继续进行。
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来源：https://cleantechnica.com/2022/01/16/using-ion-soft-landing-to-solve-hard-energy-problems/
