At komme sammen, falde fra hinanden, og starter forfra, batteristil

Uanset om det er inde i din bærbare computer eller lagre energi uden for vindmølleparker, vi har brug for høj kapacitet, langvarig, og sikre batterier. I batterier, som i enhver elektrokemisk enhed, kritiske processer sker, hvor elektrolytten og det aktive materiale mødes ved den faste elektrode. Imidlertid, det har været svært at bestemme, hvad der sker på mødestedet, fordi ud over aktive molekyler, grænseflader indeholder ofte adskillige inaktive komponenter. Ledet af laboratoriestipendiat Dr. Julia Laskin, forskere ved Pacific Northwest National Laboratory har nu fundet en måde at omhyggeligt designe teknologisk vigtige grænseflader ved blødt at lande aktive molekyler på en lille solid-state elektrokemisk celle. De pakkede elektrolytten ind i en fast membran, deponerede aktive ioner ovenpå, og karakteriserede cellen ved hjælp af traditionelle elektrokemiske teknikker. Enheden, de byggede, giver dem mulighed for at studere nøglereaktioner i realtid i kontrollerede gasformige miljøer.

"For at øge ydeevnen, vi er nødt til at studere, hvad der foregår inde i batterier eller brændselsceller – forstå processer ved grænsefladen i realtid, mens reaktionerne sker, " sagde Dr. Venkateshkumar Prabhakaran, første forfatter til undersøgelsen.

Enheden giver en måde at forstå de grundlæggende nedbrydningsreaktioner, materialeopbygning, og andre processer ved elektrodeoverfladen under drift. At kunne indsamle denne dynamiske information er afgørende for at opbygge bedre batterier, brændstofceller, og andre energienheder. Det har også betydning for at forbedre effektiviteten af ​​industrielle processer gennem elektrokatalyse. "Vi laver grundlæggende forskning i state-of-the-art teknologisk relevante grænseflader, " sagde Laskin.

Hos PNNL, forskere designet en elektrokemisk enhed til at studere elektrode-elektrolyt-grænsefladen i realtid. Enheden bruger en fast ionisk-flydende membran, i vakuum eller andre velkontrollerede omgivelser, der har transportegenskaber svarende til en flydende elektrolyt.

Den solide membran lader holdet modificere elektrolytgrænsefladen ved hjælp af bløde ion-teknikker. Med blød landing, de placerer velkarakteriserede aktive molekyler ved grænsefladen. Disse molekyler omfatter katalytiske metalklynger og redoxaktive "molekylære batteri"-arter, der er i stand til at holde et stort antal elektroner - potentielle kandidater til at øge batterikapaciteten.

I et spændende nyt twist, videnskabsmænd kan også tilføje molekylære fragmenter til cellen. De skaber fragmentionerne ved at "smadre" precursormolekyler i gasfasen. Disse gasfasefragmenter kan derefter udvælges og tilføjes til membranen. Resultatet er en veldefineret film, som man typisk ikke kan lave i opløsning. "Dette giver os adgang til en bred vifte af arter, der ikke er stabile under normale forhold, og sætter os i stand til at forstå bidraget fra individuelle byggesten til den overordnede aktivitet af modermolekyler, " sagde Dr. Grant Johnson, en PNNL-kemiker og medlem af teamet.

Når de bløde klynger diffunderer gennem den ekstremt tynde membran og når elektrodeoverfladen på den nydesignede enhed, holdet har en detaljeret og præcist defineret aktiv art, de kan undersøge ved hjælp af flere elektrokemiske og spektroskopiske teknikker. En gang ved grænsefladen, holdet kan studere, hvordan de aktive molekyler ændrer transporten af ​​elektroner, øge kapaciteten eller udtømme den, for eksempel.

Forskerne bruger enheden til at studere, hvordan bløde ædelmetalklynger modificerer kuldioxid for at opgradere dette almindelige forurenende stof til mere værdifulde kemiske råvarer.