Mikroskopi fremskridt afslører uventet rolle for vand i energilagringsmateriale

Et materiale med atomisk tynde lag vand lover løfte om energilagringsteknologier, og forskere har nu opdaget, at vandet spiller en anden rolle, end nogen havde regnet med. Fundet var muligt på grund af en ny atomkraftmikroskopi (AFM) metode, der måler sub-nanoskala deformationshastigheden i materialet som reaktion på ændringer i materialet forårsaget af energilagring.

Forskerne undersøgte krystallinsk wolframoxiddihydrat, som består af krystallinske wolframoxidlag adskilt af atomisk tynde lag vand. Materialet er af interesse, fordi det giver løfte om at hjælpe med at lagre og frigive energi hurtigt og effektivt. Imidlertid, det har ikke været klart, hvilken rolle vandet spiller i denne proces.

For at løse dette spørgsmål, forskere fra North Carolina State University, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og Texas A&M University brugte en ny metode. Den nye teknik er afhængig af AFM til at spore ekspansion og sammentrækning af materialet i atomskala og i realtid som et elektronisk instrument kaldet en potentiostat flytter ladning ind og ud af materialet. Denne teknik gjorde det muligt for teamet at opdage selv mindre deformationer i materialet, når ladningen bevægede sig gennem det.

"Vi testede både krystallinsk wolframoxiddihydrat og krystallinsk wolframoxid - som mangler vandlagene, "siger Veronica Augustyn, en adjunkt i materialevidenskab og teknik ved NC State og tilsvarende forfatter til et papir om værket. "Og vi fandt ud af, at vandlagene ser ud til at spille en væsentlig rolle i, hvordan materialet reagerer mekanisk på energilagring."

"Helt konkret, vi fandt ud af, at vandlagene gør to ting, "siger Ruocun" John "Wang, en ph.d. studerende i Augustyns laboratorium og hovedforfatter af papiret. "En, vandlagene minimerer deformation, hvilket betyder, at materialet ekspanderer og trækker sig mindre sammen, når ioner bevæger sig ind og ud af materialet, når der er vandlag. To, vandlagene gør deformationen mere reversibel, hvilket betyder, at materialet lettere vender tilbage til sine oprindelige dimensioner. "

"Rent praktisk, dette betyder, at materialet med vandlag er mere effektivt til lagring af ladning, mister mindre energi, ”Siger Augustyn.

Papiret, "Operando Atomic Force Microscopy afslører mekanikerne ved strukturelt vanddrevet batteri-til-pseudokondensatorovergang, "er offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .