Проливаем свет на механизмы электрохимического хранения энергии

May 06, 2023

Символическое изображение

Компьютерное изображение

Как сообщает журнал Nature Energy, метод команды Дрекселя сочетает в себе две хорошо зарекомендовавшие себя процедуры научных исследований: одна используется для определения состава химических соединений по их способности поглощать видимый свет, а другая — для измерения электрического тока устройств хранения энергии, таких как батареи и суперконденсаторы. . Проводя эти тесты одновременно, исследователи добились более точного способа отслеживания переноса ионов внутри устройств, раскрывая сложный электрохимический процесс, который управляет выработкой полезной энергии.

«Хотя эта область хорошо изучена на протяжении десятилетий, мы до сих пор не до конца понимаем механизмы электрохимических процессов в различных системах хранения энергии», — сказал Даньчжэнь Чжан, аспирант кафедры материаловедения и инженерии Дрексельского колледжа. Engineering и соавтор статьи. «Хотя у нас есть концептуальное понимание происходящих электрохимических реакций, количественная оценка и значимое наблюдение за этими сложными электрохимическими системами во время их работы чрезвычайно сложны и остаются постоянной областью исследований».

Химики создают углеродные материалы для накопителя энергии из отходов пивоварни

Проблема заключается в том, что на самом деле невозможно увидеть ионы — заряженные атомные частицы, упакованные в устройство во время его зарядки и движение которых создает электрический ток, который позволяет питать устройство. Они слишком малы и движутся слишком быстро. Лучшее, что могут сделать исследователи, — это положиться на сигналы, указывающие, где они, вероятно, присутствуют — своего рода атомный радар с низким разрешением — стреляющий в них частицами и записывающий то, что отскакивает.

Не имея возможности увидеть, как ионы располагаются внутри, поверх и между отсеками для хранения энергии устройства, называемыми электродами, может быть довольно сложно правильно спроектировать их, чтобы максимизировать площадь хранения энергии и облегчить упорядоченный вход и выход ионов.

«Это все равно, что открыть дверь кладовой с закрытыми глазами и понюхать внутри, чтобы определить, достаточно ли у вас места для еще нескольких банок супа», — сказал Джон Ванг, доктор философии, научный сотрудник Инженерного колледжа. и соавтор статьи. «Сейчас по-прежнему сложно проводить прямые измерения и наблюдать, как работают устройства накопления энергии. Было бы намного лучше, если бы мы могли хорошо рассмотреть атомную структуру и знать, как и где будут располагаться ионы — тогда, возможно, мы сможем спроектируйте структуру, которая сможет вместить гораздо больше из них. Мы считаем, что созданный нами метод позволит нам выполнить эти измерения и корректировки».

Три наиболее распространенных способа сборки ионов на электроде — внутри его атомных слоев, на его поверхности или поверх других ионов, уже находящихся на его поверхности.

Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, когда дело касается производительности батареи или суперконденсатора. Попадание или интеркалирование в слои материала электрода позволяет сохранить больше ионов — энергии. Прикрепление и отсоединение к поверхности материала, называемое поверхностной окислительно-восстановительной реакцией, обеспечивает быстрое высвобождение энергии. А расположение молекул растворителя поверх слоя ионов на поверхности (электрическая реакция двойного слоя) позволяет получить немного большую мощность разряда, но меньшую энергию.

Исследователи могут наблюдать, сколько времени требуется накопителю для разрядки и повторной зарядки, или протестировать материал электрода в начале и в конце цикла разряда, чтобы получить довольно хорошее представление о преобладающем механизме хранения.

Но недавние исследования показывают, что эти механизмы накопления энергии не всегда могут происходить в виде упорядоченных дискретных реакций. Существует ряд реакций, протекающих со смешанным или промежуточным механизмом. Таким образом, точное их различение и фундаментальное понимание важно для повышения производительности устройств хранения энергии.