Nowy system magazynowania energii zmieni świat?

Nowy system magazynowania energii może być bardziej wydajny i potencjalnie może zmienić oblicze świata.

Uproszczenie złożonych interfejsów magazynowania energii w celu opracowania lepszych urządzeń

Każda technologia, która napędza nasz świat, wymaga energii dostępnej na żądanie. Energia musi być przechowywana i udostępniana w celu zasilania urządzeń elektronicznych i oświetlania budynków. Duża różnorodność urządzeń, które wymagają energii na żądanie, doprowadziła do opracowania wielu strategii magazynowania energii.

Wiele systemów magazynowania energii wykorzystuje połączenie procesów chemicznych i elektrycznych do zmiany formy energii. W wyniku tego procesu powstaje interfejs, czyli punkt, w którym spotykają się i przekształcają dwa różne materiały. Naukowcy muszą regulować to, co dzieje się na tych stykach i wokół nich, aby stworzyć bardziej wydajne i trwałe systemy magazynowania energii. Nie jest to jednak łatwe.

W większości badań tworzy się skomplikowany interfejs, a następnie wykorzystuje zaawansowane techniki, aby spróbować go zrozumieć. Dla porównania, my nie wytwarzamy całego interfejsu. Przygotowujemy każdy element osobno, co pozwala nam badać poszczególne składniki i sposób ich formowania.

Grant Johnson, główny naukowiec programu Separation Science w Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)

Wspominana w tym artykule technika jest znana jako miękkie lądowanie jonowe. Technologia ta pozwala naukowcom zobaczyć, jak poszczególne naładowane cząsteczki, czyli jony, występujące w rzeczywistych interfejsach magazynowania energii, oddziałują z powierzchnią elektrody i potencjałem elektrycznym. Pozwala to na rozdzielenie chaotycznych interfejsów występujących w rzeczywistych systemach magazynowania energii na odrębne układy, w których występuje tylko jeden rodzaj jonów i powierzchnia. Naukowcy mogą następnie zbadać rolę, jaką każda cząsteczka odgrywa w tworzeniu interfejsu.

Miękkie lądowanie jonowe do ukierunkowanych badań nad magazynowaniem energii

Miękkie lądowanie jonów umożliwia naukowcom wybór jednego, określonego typu jonów według ich ładunku i rozmiaru. Wybrane jony następnie delikatnie lądują na powierzchni przewodzącej. W wyniku tego procesu powstaje precyzyjnie zdefiniowany interfejs, charakterystyczny dla reakcji wybranych cząsteczek i materiału powierzchni.

Po przygotowaniu interfejsu badacze mogą użyć innych instrumentów do zbadania, w jaki sposób powierzchnia i cząsteczka oddziałują ze sobą. Taka charakterystyka ujawnia informacje o naturze wiązań chemicznych zerwanych i utworzonych na granicy faz.

Systemy litowo-jonowe, które zasilają wiele naszych urządzeń elektronicznych, mogą być najbardziej znanymi urządzeniami do magazynowania energii. Zespół badawczy PNNL bada jednak jeszcze bardziej wydajne i potencjalnie przełomowe systemy magazynowania energii. Należą do nich jony litowo-siarkowe, ciała stałe na bazie litu oraz wyjście poza chemię litu. W tych badaniach zespół zaczyna od roztworu elektrolitu z cząsteczkami i miękko osadza wybrane jony, takie jak różne siarczki litu, na metalu litowym o powierzchni bogatej w tlen.

Niedawno odkryli jeden ze sposobów, w jaki ujemnie naładowane jony litowo-siarkowe odgrywają kluczową rolę w działaniu tych nowych urządzeń magazynujących energię na stykach faz. Odkryli, że jony te przechodzą wiele reakcji, których centrum jest chemia redukcji i utleniania siarki, a nie litu.

Odkrycia te wyjaśniają naturę wiązań siarka-tlen i powiązanych z nimi reagujących cząsteczek obserwowanych w urządzeniach magazynujących energię. Praca nad miękkim lądowaniem jonów dostarcza molekularnego wyjaśnienia, dlaczego utlenione formy siarki występują na interfejsach lit-siarka. Dokładne zrozumienie, w jaki sposób te ważne jony zamieniają się w materiały stałe na modelowym interfejsie, pomaga badaczom rozbijać skomplikowane interfejsy w rzeczywistych urządzeniach.

Za każdym razem, gdy badamy reakcje poszczególnych typów molekuł, dowiadujemy się czegoś nowego, co buduje zbiorową wiedzę na temat tworzenia się interfejsów.

Grant Johnson
Miękkie lądowanie jonów pozwala badaczom wybierać jony, które lądują na powierzchni według ładunku i rozmiaru. Źródło: Ilustracja autorstwa Cortlanda Johnsona, Pacific Northwest National Laboratory/SciTechDaily

Zrozumienie interfejsów związanych z magazynowaniem energii

Początkowo naukowcy z PNNL rozwijali swoje zdolności dotyczące miękkiego lądowania jonów przy wsparciu programu Departamentu Energii (Department of Energy – DOE) Basic Energy Sciences Separation Science. W ramach tego programu inżynier chemik Venky Prabhakaran wykorzystał miękkie lądowanie jonów do badania elektrochemicznie aktywnych interfejsów do separacji. Chciał jednak sprawdzić, jakie możliwości daje ta technika poza systemami separacji. Spotkanie z fizykiem Vijayem Murugesanem kilka lat temu umożliwiło wprowadzenie miękkiego lądowania jonów do świata magazynowania energii. Vijay Murugesan kieruje obszarem zainteresowania Wspólnego Centrum Badań nad Magazynowaniem Energii (JCESR), centrum innowacji DOE.

Pewnego dnia spotkałem się z Vijayem w innej sprawie i zaczęliśmy rozmawiać o naszych badaniach. Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że jonowe miękkie lądowanie może być ważnym narzędziem, które pomoże odpowiedzieć na kluczowe pytania w obszarze badań JCESR, którym kieruje Vijay.

Venky Prabhakaran

Zbliżająca się przeprowadzka zespołu do Centrum Nauk o Energii usprawni ich pracę i zbliży ich do siebie, co pozwoli na efektywną współpracę i prowadzenie badań eksperymentalnych.

Obecnie musimy przejść przez kilka korytarzy, aby dostać się z laboratorium miękkiego lądowania jonów do kluczowych instrumentów charakteryzujących.

Vijay Murugesan

Choć może się to wydawać niedaleko, ten krótki spacer stanowi problem dla bardzo wrażliwych i reaktywnych próbek. Naukowcy muszą używać specjalnej „walizki próżniowej” do transportu próbek, nawet przez korytarz.

W Centrum Nauk o Energii nasze laboratoria będą znajdować się tuż obok siebie. Będziemy mieli drzwi łączące!

Venky Prabhakaran

Znacznie krótsza droga oznacza mniej czasu na ewentualną degradację lub zanieczyszczenie próbki.

Ostatnia innowacja, która wzbudziła entuzjazm zespołu, polega na jednoczesnym wybieraniu i osadzaniu dwóch rodzajów jonów, jednego dodatniego, a drugiego ujemnego. Takie podejście pozwala stworzyć bardziej realistyczny model urządzeń magazynujących energię. Różne jony oddziałują ze sobą i z powierzchnią, co pozwala zespołowi uchwycić działanie na granicy faz.

 

Poniższy tekst jest tłumaczeniem artykułu New Energy Storage System Is More Efficient and Potentially Transformative. Tekst pochodzi z portalu SciTechDaily.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj

Najnowsze

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

PARTNERZY PORTALU

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE