Simplifier les interfaces complexes de stockage d’énergie pour développer de meilleurs appareils.
Chaque technologie qui gère notre monde nécessite de l’énergie à la demande. L’énergie doit être stockée et accessible pour alimenter les appareils électroniques et les bâtiments légers. La large gamme d’appareils nécessitant de l’énergie à la demande a conduit au développement de nombreuses stratégies de stockage d’énergie.
Recherche d’interfaces de stockage d’énergie : l’atterrissage en douceur des ions permet aux chercheurs de sélectionner les ions qui atterrissent sur une surface en fonction de leur charge et de leur taille. (Illustration de Cortland Johnson | Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest)
Beaucoup stockage d’Energie Les appareils combinent des processus chimiques et électriques pour convertir l’énergie d’une forme à une autre. Ce processus aboutit à une interface—le lieu d’action où deux matériaux différents se rencontrent et se transforment. Pour fabriquer des dispositifs de stockage d’énergie plus efficaces et plus durables, les scientifiques doivent contrôler ce qui se passe au niveau et à proximité de ces interfaces. Mais ce n’est pas facile.
« La plupart des recherches créent une interface compliquée et utilisent ensuite des techniques de caractérisation avancées pour essayer de la comprendre », a déclaré Grant Johnson, chimiste à Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL) qui dirige le programme de science de la séparation. « En comparaison, nous ne réalisons pas toute l’interface. Nous préparons chaque pièce séparément, ce qui nous permet d’étudier les composants individuels et leur formation.
Leur approche est appelée atterrissage en douceur ionique. La technique permet aux scientifiques de voir comment les molécules chargées individuelles, ou les ions, qui existent aux interfaces de stockage d’énergie réelles interagissent avec une surface d’électrode et un potentiel électrique. Il simplifie les interfaces désordonnées qui existent dans les systèmes de stockage d’énergie réels en systèmes séparés avec un seul type d’ion et la surface. Les chercheurs peuvent alors étudier le rôle que joue chaque molécule dans la création de l’interface.
La configuration personnalisée permet aux chercheurs d’effectuer des expériences d’atterrissage en douceur des ions. (Photo par Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique)
Des ions d’atterrissage en douceur pour des études ciblées sur le stockage d’énergie
L’atterrissage en douceur des ions permet aux chercheurs de sélectionner un seul type d’ion spécifique par charge et taille. Les ions choisis atterrissent ensuite doucement sur une surface conductrice. Ce processus prépare une interface définie avec précision caractéristique des réactions des molécules sélectionnées et du matériau de surface.
Une fois l’interface préparée, les chercheurs peuvent utiliser d’autres instruments pour examiner comment la surface et la molécule interagissent. Cette caractérisation révèle des informations sur la nature des liaisons chimiques rompues et formées à l’interface.
Les systèmes lithium-ion, qui alimentent bon nombre de nos appareils électroniques, sont peut-être les dispositifs de stockage d’énergie les plus connus. Cependant, l’équipe de recherche du PNNL explore des systèmes de stockage d’énergie encore plus efficaces et potentiellement transformateurs. Ceux-ci incluent les ions lithium-soufre, les solides à base de lithium et vont au-delà de la chimie du lithium. Pour cette recherche, l’équipe part d’une solution électrolytique de molécules et de terres molles d’ions sélectionnés, comme divers sulfures de lithium, sur du lithium métal avec une surface riche en oxygène.
Ils ont récemment découvert d’une manière, les ions lithium-soufre chargés négativement jouent un rôle clé dans le fonctionnement de ces nouveaux dispositifs de stockage d’énergie aux interfaces. Ils ont découvert que les ions subissent de multiples réactions centrées sur la chimie de réduction et d’oxydation du soufre, plutôt que du lithium.
Les résultats expliquent la nature des liaisons soufre-oxygène et des molécules ayant réagi associées observées dans les dispositifs de stockage d’énergie. Les travaux d’atterrissage en douceur des ions fournissent une explication au niveau moléculaire de l’existence de formes oxydées de soufre aux interfaces lithium-soufre. Comprendre exactement comment ces ions importants se transforment en matériaux solides à une interface modèle aide les chercheurs à décomposer les interfaces compliquées dans les appareils réels.
« Chaque fois que nous explorons comment un type individuel de molécule réagit, nous apprenons quelque chose de nouveau qui construit des connaissances collectives sur la formation d’interfaces », a déclaré Johnson.
Jeter un coup d’œil sur un substrat après un atterrissage en douceur des ions. (Photo par Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique)
Comprendre les interfaces impliquées dans le stockage de l’énergie
À l’origine, les chercheurs du PNNL ont développé leurs capacités d’atterrissage en douceur des ions avec le soutien du programme de science de séparation des sciences de l’énergie de base du ministère de l’Énergie (DOE). Grâce à ce programme, ingénieur chimiste Venky Prabhakaran utilisé l’atterrissage en douceur des ions pour étudier les interfaces électrochimiquement actives pour les séparations. Cependant, il voulait voir ce que la technique pouvait faire au-delà des systèmes de séparation. Une rencontre avec physicien Vijay Murugesan il y a quelques années, l’atterrissage en douceur des ions a fait son entrée dans le monde du stockage d’énergie. Murugesan dirige un domaine d’intervention pour le Centre commun de recherche sur le stockage de l’énergie (JCESR), un centre d’innovation du DOE.
« Un jour, j’ai eu une réunion avec Vijay à propos d’autre chose et nous avons commencé à parler de nos recherches », a déclaré Prabhakaran. « Nous avons rapidement réalisé que l’atterrissage en douceur des ions pourrait être un outil important pour aider à répondre aux questions clés dans le domaine d’intervention du JCESR que Vijay dirige. »
Le prochain déménagement de l’équipe au Centre des sciences de l’énergie rationalisera leur travail et les rapprochera pour une collaboration efficace et des études expérimentales.
« Actuellement, nous devons emprunter plusieurs couloirs pour passer du laboratoire d’atterrissage en douceur des ions aux instruments de caractérisation clés », a déclaré Murugesan. Bien que cela puisse ne pas sembler loin, cette courte marche pose des problèmes pour leurs échantillons très sensibles et réactifs. Les chercheurs doivent utiliser une « valise sous vide » spéciale pour transporter les échantillons, même dans le couloir.
« Au Centre des sciences de l’énergie, nos laboratoires seront côte à côte », a déclaré Prabhakaran. « Nous aurons une porte communicante ! » La marche beaucoup plus courte d’un instrument à l’autre signifie moins de temps pour une éventuelle dégradation ou contamination de l’échantillon.
Une innovation récente qui a enthousiasmé l’équipe consiste à sélectionner et à déposer simultanément deux types d’ions, un positif et un négatif. Cette approche crée un modèle plus réaliste de dispositifs de stockage d’énergie. Les différents ions interagissent entre eux et avec la surface, permettant à l’équipe de capturer l’action à l’interface.
Certains des travaux mentionnés dans cet article ont été soutenus dans le cadre du JCESR, un centre d’innovation énergétique financé par le DOE, Office of Science, programme Basic Energy Sciences. Cela a été fait en collaboration avec la Texas A&M University. En plus de Johnson, Murugesan et Prabhakaran, les autres auteurs du PNNL sont Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan et Karl Mueller. Une partie du travail a été effectuée au Laboratoire des sciences moléculaires de l’environnement, une installation scientifique nationale pour les utilisateurs. Les travaux futurs se poursuivront au Centre des sciences de l’énergie.
Source : PNNL
