Сообщалось в Природная энергияМетод команды Drexel сочетает в себе две хорошо зарекомендовавшие себя процедуры научных исследований: одну, используемую для определения состава химических соединений по их способности поглощать видимый свет, и другую, которая измеряет электрический ток устройств накопления энергии, таких как батареи и суперконденсаторы. Проводя эти тесты одновременно, исследователи добились более точного способа отслеживания переноса ионов внутри устройств, раскрыв сложный электрохимический процесс, который управляет выработкой полезной мощности.

Разглядываю получше

"Хотя эта область хорошо изучалась десятилетиями, мы все еще не до конца понимаем механизмы электрохимических процессов в различных системах накопления энергии", - сказал Данчжэнь Чжан, докторант кафедры материаловедения и инженерии инженерного колледжа Drexel и соавтор исследования. бумага. "Несмотря на то, что у нас есть концептуальное понимание вовлеченных электрохимических реакций, количественная оценка и осмысленное наблюдение за этими сложными электрохимическими системами во время их работы чрезвычайно сложны и остаются постоянной областью исследований".

Проблема заключается в том, что на самом деле невозможно увидеть ионы - заряженные атомные частицы, упакованные в устройство при его зарядке и движение которых создает электрический ток, который позволяет ему питать устройство. Они слишком маленькие и двигаются слишком быстро. Лучшее, что могут сделать исследователи, - это полагаться на сигналы, которые указывают, где они, вероятно, присутствуют, - своего рода атомный радар с низким разрешением, - посылающий в них частицы и регистрирующий то, что от них отскакивает.

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

"Это все равно что открыть дверь кладовой с закрытыми глазами и понюхать содержимое, чтобы определить, хватит ли у вас места еще для нескольких банок супа", - сказал Джон Ванг, доктор философии, научный сотрудник Инженерного колледжа и соавтор статьи. "Прямо сейчас по-прежнему сложно проводить прямые измерения и наблюдать за тем, как работают устройства накопления энергии. Было бы гораздо лучше, если бы мы могли хорошенько рассмотреть атомную структуру, чтобы знать, как и где будут располагаться ионы, - тогда, возможно, мы сможем спроектировать структуру, которая сможет вместить гораздо больше ионов. Мы считаем, что созданный нами метод позволит нам произвести эти измерения и корректировки".

Пытаюсь вписаться в общество

Три наиболее распространенных способа, которыми ионы собираются на электроде, - это внутри его атомных слоев, на его поверхности или поверх других ионов, уже находящихся на его поверхности.

Каждое из этих устройств имеет свои преимущества и недостатки, когда речь заходит о производительности аккумулятора или суперконденсатора. Попадание или интеркалирование в слои материала электрода позволяет накапливать больше ионов - энергии. Прикрепление и отсоединение к поверхности материала, называемое поверхностной окислительно-восстановительной реакцией, обеспечивает быстрое высвобождение энергии. А размещение молекул растворителя поверх слоя ионов на поверхности - двухслойная электрическая реакция - обеспечивает несколько большую мощность разряда, но меньшую энергию.

Исследователи могут наблюдать, сколько времени требуется запоминающему устройству для разряда и повторной зарядки, или тестировать материал электрода в начале и конце цикла разряда, чтобы получить довольно хорошее представление о преобладающем механизме накопления.

Тревожащая тайна

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

Возможность точно определять количество и отслеживать ионы внутри электрода и отслеживать их в течение циклов заряда-разряда даст исследователям лучшую картину всех происходящих реакций - и, что важно, выявит паразитные побочные реакции, которые могут снизить производительность устройства.

Вооружившись этой информацией, разработчики могли бы лучше адаптировать материалы электродов и электролиты для повышения производительности и ограничения деградации.

Поучительное сочетание

Новый метод команды Drexel предлагает способ контролировать как расположение, так и перемещение ионов от электролита к электроду в устройстве накопления энергии. Их подход сочетает ультрафиолетово-видимую спектроскопию (UV-vis) - метод определения химического состава соединения по тому, как оно поглощает свет, - с методом измерения электрического тока во время циклов заряда-разряда, называемым циклической вольтамперометрией (CV).

Их прорыв произошел, когда группа использовала УФ-видимую спектроскопию для наблюдения электрохимического взаимодействия в тонких пленках наноматериалов серии систем электрод-электролит. Хотя УФ-видимая спектроскопия традиционно не использовалась таким образом, тот факт, что исследуемый материал электрода был настолько тонким, что был прозрачным, позволил УФ-видимой спектроскопии охарактеризовать его электрохимические изменения во время зарядки и разрядки.

Чтобы подтвердить свои первоначальные выводы, команда записывала спектральные данные с помощью UV-vis с теми же интервалами, что и электрохимические реакции. В ходе этого процесса они поняли, что можно было бы синхронизировать визуальные спектральные данные UV-Vis с измерениями тока CV, что устранило бы уровень неопределенности, окутывающий электрохимическое поведение, которое они пытались количественно оценить.

Сопоставляя сигналы от двух методов, исследователи смогли точно определить не только, когда происходила конкретная реакция, но и сколько электронов было передано во время реакции - ключевой показатель того, какой тип электрохимического механизма имеет место.

Чтобы связать результаты, команда нанесла данные UV-vis на график с измерениями CV, создав график, называемый кривой "UV-vis CV". Каждый электрохимический механизм - будь то окислительно-восстановительный, частично окислительно-восстановительный или двухслойный электрический - отображается в виде характерной кривой из-за того, как перенос электронов изменяет способ прохождения света через материал, а также смещает его электрический ток.

Например, линия, имеющая приблизительно прямоугольную форму, указывает на то, что происходит двухслойная электрическая зарядка, в то время как кривые с острыми пиками указывают на протекание окислительно-восстановительной реакции.

"Кривые "UV-vis CV" позволили нам выявить корреляцию между спектральными изменениями и электрохимическими процессами, тем самым облегчив дифференциацию электрических двухслойных, псевдоемких и основанных на интеркаляции окислительно-восстановительных процессов аккумуляторного типа", - пишут они. "Кроме того, калибровка изменения степени окисления в псевдоемкой системе позволила количественно определить количество электронов, перенесенных во время реакции, аналогично синхротронной рентгеновской спектроскопии поглощения in situ".

Повышение резкости изображения

По словам Данчжена, корреляция предоставила команде достаточно информации, чтобы понять, как электронная структура электродных материалов менялась во время циклирования. И это более точное измерение, чем те, которые регистрируются с помощью более дорогих и трудоемких методов, используемых в настоящее время, таких как рентгеновское поглощение или спектроскопия потерь энергии электронов.

"Путем точного сопоставления или перекрестных ссылок на эти измерения мы можем устранить последствия паразитной реакции и сделать наши количественные результаты более точными", - сказал Данчжен.

Испытав свой метод, команда смогла подтвердить гипотезу о том, что механизм, управляющий взаимодействием между электролитом "вода в соли" и тонкопленочным электродом, изготовленным из двумерного слоистого наноматериала, называемого MXene, который был обнаружен и изучен в Drexel, является электрический двухслойный процесс зарядки.

"Ранее исследователи использовали UV-vis для качественного определения механизмов накопления энергии, но никогда не определяли количественно окислительно-восстановительную активность", - сказал Данчжен. "Наш УФ-визуальный метод количественного определения числа переноса электронов эффективно устраняет этот эффект, используя оптические сигналы для непосредственного мониторинга изменений в материалах электродов. Более того, расчеты производных в рамках метода UV-vis помогают дополнительно устранить неточности, возникающие при использовании обычных электрохимических характеристик."

Более четкий путь вперед

Хотя в настоящее время его применение ограничено прозрачностью электродных материалов, исследователи предполагают, что этот метод может стать недорогой альтернативой рентгеновской абсорбционной спектроскопии, оборудование для которой может стоить более 1 миллиона долларов. И это могло бы облегчить разработку материалов для накопления энергии, емкостной деионизации воды, электрохимического приведения в действие и сбора энергии, отмечают они.

"Определение точной комбинации электродных материалов и электролитов из множества возможных требует быстрой оценки и категоризации электрохимического поведения используемых материалов", - сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный профессор Университета Баха в Инженерном колледже, который руководил исследованием. "Наш метод обеспечивает эффективный процесс с использованием легкодоступного оборудования, которое позволяет быстро и точно классифицировать то, как материалы взаимодействуют с ионами в электрохимических системах. Использование этого для определения нашего курса на создание более совершенных материалов и устройств для хранения энергии могло бы помочь избежать любого количества ошибок ".

Команда планирует продолжить свою работу, используя свой метод для тестирования новых комбинаций электролитов и электродных материалов и исследования более сложных систем электрохимического накопления энергии.