Ioonpehme maandumise kasutamine kõvade energiaprobleemide lahendamiseks

Viisakus Vaikse ookeani loodeosa riiklik labor.
By Beth Mundy, PNNL

Iga tehnoloogia, mis meie maailma juhib, vajab energiat vastavalt nõudlusele. Energiat tuleb salvestada ja see peab olema juurdepääsetav toiteelektroonikaseadmetele ja kerghoonetele. Lai valik seadmeid, mis nõuavad energiat nõudmisel, on viinud paljude energia salvestamise strateegiate väljatöötamiseni.

Palju energia salvestamine seadmed ühendavad keemilisi ja elektrilisi protsesse, et muundada energia ühest vormist teise. Selle protsessi tulemuseks on liides— tegevuskoht, kus kohtuvad ja muunduvad kaks erinevat materjali. Tõhusamate ja kauem kestvate energiasalvestusseadmete loomiseks peavad teadlased kontrollima, mis nendel liidestel ja nende läheduses toimub. Kuid see pole lihtne.

"Enamik uuringuid loob keerulise liidese ja seejärel kasutab selle mõistmiseks täiustatud iseloomustustehnikaid," ütles Grant Johnson, keemik at Vaikse ookeani loode riiklik labor (PNNL) kes juhib eraldamisteaduse programmi. "Võrdluseks, me ei tee kogu liidest. Valmistame iga osa eraldi, mis võimaldab uurida üksikuid komponente ja nende moodustumist.

Nende lähenemist nimetatakse ioonide pehmeks maandumiseks. See meetod võimaldab teadlastel näha, kuidas üksikud laetud molekulid või ioonid, mis eksisteerivad tegelikel energiasalvestusliidestel, interakteeruvad elektroodi pinna ja elektripotentsiaaliga. See lihtsustab reaalsetes energiasalvestussüsteemides eksisteerivad segased liidesed eraldi süsteemideks, millel on vaid ühte tüüpi ioon ja pind. Seejärel saavad teadlased uurida rolli, mida iga molekul liidese loomisel mängib.

Eritellimusel valmistatud seadistus võimaldab teadlastel teha ioonide pehme maandumise katseid. (Foto Andrea Starr | Vaikse ookeani loodeosa riiklik labor)

Pehmelt maanduvad ioonid energia salvestamise sihipärasteks uuringuteks

Ioonide pehme maandumine võimaldab teadlastel valida laengu ja suuruse järgi ühe kindla ioonitüübi. Seejärel maanduvad valitud ioonid õrnalt juhtivale pinnale. See protsess valmistab ette täpselt määratletud liidese, mis on iseloomulik valitud molekulide ja pinnamaterjali reaktsioonidele.

Kui liides on ette valmistatud, võivad teadlased kasutada muid vahendeid, et uurida, kuidas pind ja molekul interakteeruvad. See iseloomustus näitab teavet liideses purunenud ja moodustunud keemiliste sidemete olemuse kohta.

Liitiumioonsüsteemid, mis toidavad paljusid meie elektroonikaseadmeid, võivad olla kõige tuttavamad energiasalvestusseadmed. PNNL-i uurimisrühm uurib aga veelgi tõhusamaid ja potentsiaalselt transformatiivseid energiasalvestussüsteeme. Nende hulka kuuluvad liitiumi-väävliioonid, liitiumipõhised tahked ained ja liitiumkeemiast kaugemale jõudmine. Selle uurimistöö jaoks alustab meeskond hapnikurikka pinnaga liitiummetalli molekulide ja pehmete ioonide, näiteks erinevate liitiumsulfiidide, elektrolüütide lahusega.

Nad avastasid hiljuti üks viis, kuidas negatiivselt laetud liitium-väävliioonid mängivad võtmerolli nende uute energiasalvestusseadmete töös liidestes. Nad leidsid, et ioonid läbivad mitmeid reaktsioone, mille keskmes on väävli, mitte liitiumi redutseerimis- ja oksüdatsioonikeemia.

Leiud selgitavad energiasalvestusseadmetes täheldatud väävel-hapniku sidemete ja nendega seotud reageerinud molekulide olemust. Ioonide pehme maandumine annab molekulaarse seletuse selle kohta, miks liitium-väävli liidestel eksisteerivad oksüdeeritud väävli vormid. Täpselt mõistmine, kuidas need olulised ioonid mudeliliideses tahketeks materjalideks muutuvad, aitab teadlastel reaalsetes seadmetes keerulisi liideseid murda.

"Iga kord, kui uurime, kuidas üksikut tüüpi molekulid reageerivad, õpime midagi uut, mis loob kollektiivseid teadmisi liidese moodustamise kohta, " ütles Johnson.

Substraadi piilumine pärast ioonide pehmet maandumist. (Foto Andrea Starr | Vaikse ookeani loodeosa riiklik labor)

Energia salvestamisega seotud liideste mõistmine

Algselt arendasid PNNL-i teadlased oma ioonide pehme maandumisvõimalusi energeetikaministeeriumi (DOE) põhiliste energiateaduste eraldusteaduste programmi toel. Selle programmi kaudu keemiainsener Venky Prabhakaran kasutas ioonide pehmet maandumist elektrokeemiliselt aktiivsete liideste uurimiseks eraldamiseks. Siiski tahtis ta näha, mida see tehnika suudab peale eraldussüsteemide teha. Kohtumine koos füüsik Vijay Murugesan paar aastat tagasi tõi ioonide pehme maandumine sissepääsu energia salvestamise maailma. Murugesan juhib fookusvaldkonda Energiasalvestusuuringute ühiskeskus (JCESR), DOE innovatsioonikeskus.

"Ühel päeval kohtusin Vijayga millegi muu teemal ja hakkasime oma uurimistööst rääkima," ütles Prabhakaran. "Saime kiiresti aru, et ioonide pehme maandumine võib olla oluline tööriist, mis aitab vastata Vijay juhitud JCESR-i fookusvaldkonna põhiküsimustele."

Meeskonna eelseisev kolimine energiateaduste keskusesse muudab nende tööd sujuvamaks ja lähendab neid tõhusa koostöö ja eksperimentaalsete uuringute jaoks.

"Praegu peame läbima mitu koridori, et jõuda ioonide pehme maandumise laborist peamiste iseloomustusinstrumentide juurde," ütles Murugesan. Kuigi see ei pruugi tunduda kaugel, põhjustab see lühike jalutuskäik probleeme nende ülitundlike ja reaktiivsete proovide jaoks. Uurijad peavad proovide transportimiseks isegi koridoris kasutama spetsiaalset vaakumkohvrit.

"Energiateaduste keskuses asuvad meie laborid üksteise kõrval," ütles Prabhakaran. "Meil on ühendusuks!" Oluliselt lühem jalutuskäik instrumendist instrumendini tähendab vähem aega proovi võimalikuks lagunemiseks või saastumiseks.

Hiljutine uuendus, mis on meeskonnas põnevil, hõlmab kahte tüüpi ioonide üheaegset valimist ja deponeerimist, ühe positiivse ja teise negatiivse. Selline lähenemine loob energiasalvestite realistlikuma mudeli. Erinevad ioonid interakteeruvad üksteise ja pinnaga, võimaldades meeskonnal liidesel toimuvat tegevust jäädvustada.

Mõnda selles artiklis mainitud tööd toetati osana JCESR-ist, energiainnovatsiooni keskusest, mida rahastab DOE teadusbüroo, põhienergiateaduste programm. See tehti koostöös Texas A&M ülikooliga. Lisaks Johnsonile, Murugesanile ja Prabhakaranile on PNNL-i autorid veel Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan ja Karl Mueller. Osa tööst sai tehtud keskkonnamolekulaarteaduste laboris, riiklik teaduslik kasutajasüsteem. Edasine töö jätkub energiateaduste keskuses.

Kas hindate CleanTechnica originaalsust? Kaaluge a CleanTechnica liige, toetaja, tehnik või suursaadik - või patroon Patreon.

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