Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Üretilen her teknoloji enerji gerektirmektedir. Bu yüzden elektronik cihazlara güç sağlamak ve binaları aydınlatmak için enerji depolanmalı ve kullanılabilir hale getirilmelidir. İsteğe bağlı enerji gerektiren çeşitli cihazlar, enerji depolama stratejilerinin geliştirilmesine neden olmuştur.

Birçok enerji depolama sistemi enerjinin biçimini değiştirmek için kimyasal ve elektriksel süreçlerin bir kombinasyonunu kullanır. Bu süreç, iki farklı malzemenin buluştuğu ve dönüştüğü nokta olan bir arayüz üretir. Bilim insanları daha verimli ve daha uzun ömürlü enerji depolama sistemleri oluşturmak için bu arayüzlerde ve çevresinde neler olduğunu düzenlemelidirler, ama bu olay sanıldığı gibi kolay değildir.

 Separation Science programının Pacific Northwest National Laboratory'den(PNNL) Grant Johnson, "Çoğu araştırma karmaşık bir arayüz oluşturmaktadır. Ardından onu anlamaya çalışmak için gelişmiş karakterizasyon teknikleri kullanılır. Tüm arayüzü yapmıyoruz. Her bir parçayı ayrı ayrı hazırlıyoruz, bu da tek tek bileşenleri ve nasıl oluştuklarını incelememizi sağlıyor” dedi.

Bu teknikler iyon yumuşak iniş (ion soft landing) olarak biliniyor. Bu teknoloji, bilim insanlarının gerçek enerji depolama arayüzlerinde bulunan özel yüklü moleküllerin veya iyonların bir elektrot yüzeyi ve bir elektrik potansiyeli ile nasıl etkileşime girdiğini görmelerini sağlıyor. Teknik, gerçek enerji depolama sistemlerinde bulunan kaotik arayüzleri, yalnızca bir tür iyon ve yüzey ile farklı sistemlere ayırır. Araştırmacılar ancak bundan sonra her molekülün arayüzün oluşumunda oynadığı rolü araştırabilirler.

Özel olarak oluşturulmuş kurulum, araştırmacıların iyon yumuşak iniş deneyleri yapmasına olanak tanır. Kaynak: Andrea Starr tarafından Fotoğraf | Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı

Enerji depolamada hedeflenen çalışmalar için yumuşak iniş iyonları

İyon yumuşak iniş, araştırmacıların yük ve boyuta göre tek belirli bir iyon türü seçmesini sağlar. Seçilen iyonlar daha sonra iletken bir yüzeye nazikçe inerler. Bu süreç, seçilen moleküllerin ve yüzey malzemesinin reaksiyonlarının kesin olarak tanımlanmış bir arayüz karakteristiğini hazırlar.

Arayüz hazırlandıktan sonra araştırmacılar yüzey ve molekülün nasıl etkileştiğini incelemek için başka araçlar kullanabilirler. Bu karakterizasyon, arayüzeyde kopan ve oluşan kimyasal bağların doğası hakkında bilgi verir.

Elektroniklerimizin çoğuna güç sağlayan lityum iyon sistemleri, belki de en tanıdık enerji depolama cihazlarıdır. Öte yandan PNNL araştırma ekibi, daha da verimli ve potansiyel olarak dönüştürücü enerji depolama sistemlerini araştırmaktadır. Bunlara lityum-kükürt iyonları, lityum bazlı katı maddeler ve lityum kimyasının ötesine geçmek de dahildir. Bu araştırma için ekip, oksijen açısından zengin bir yüzeye sahip lityum metal üzerinde çeşitli lityum sülfürler gibi seçilen iyonları ve yumuşak toprakları bir elektrolit çözeltisi ile başladılar.

İyon yumuşak inişten sonra bir alt tabakaya göz atın. Kaynak: Andrea Starr tarafından Fotoğraf | Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı

Yakın zamanda ekip, negatif yüklü lityum-kükürt iyonlarının, bu yeni enerji depolama cihazlarının arayüzlerde çalışmasında kilit bir rol oynamasının bir yolunu buldular. Ekip, iyonların, lityum yerine kükürtün indirgenme ve oksidasyon kimyasına odaklanan çoklu reaksiyonlara girdiğini de buldular.

Bulgular, enerji depolama cihazlarında gözlemlenen kükürt-oksijen bağlarının ve ilgili reaksiyona giren moleküllerin doğasını açıklıyor. İyon yumuşak iniş çalışması, lityum-kükürt arayüzlerinde oksitlenmiş kükürt formlarının neden var olduğuna dair moleküler düzeyde bir açıklama sağlamaktadır. Bir model arayüzünde bu önemli iyonların nasıl katı malzemelere dönüştüğünü tam olarak anlamak, araştırmacıların gerçek cihazlarda karmaşık arayüzleri parçalamasına yardımcı olmaktadır.

Johnson, "Bireysel bir molekül türünün nasıl tepki verdiğini her araştırdığımızda, arayüz oluşumu hakkında toplu bilgi oluşturan yeni bir şey öğreniyoruz" dedi.

İyon yumuşak iniş, araştırmacıların hangi iyonların yük ve boyuta göre bir yüzeye ineceğini seçmelerine olanak tanır. Kaynak: Cortland Johnson tarafından İllüstrasyon | Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı

Ekibi heyecanlandıran bir başka yenilik ise biri pozitif ve diğeri negatif olmak üzere iki tür iyonun aynı anda seçilmesini ve biriktirilmesini içermektedir. Bu yaklaşım, daha gerçekçi bir enerji depolama cihazı modeli oluşturur. Farklı iyonlar birbirleriyle ve yüzeyle etkileşime girerek ekibin arayüzdeki eylemi yakalamasını sağlar.

Makale:

“Role of Polysulfide Anions in Solid-Electrolyte Interphase Formation at the Lithium Metal Surface in Li–S Batteries” by Kie Hankins, Venkateshkumar Prabhakaran, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Grant E. Johnson, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan, Perla B. Balbuena, Karl T. Mueller and Vijayakumar Murugesan, 22 September 2021, The Journal of Physical Chemistry Letters.
DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c01930