В начале 20-го века изобретение рентгеновского изображения обеспечило скачок знаний в медицинской науке. С тех пор мы можем видеть, как работают кости нашего тела, что вывело на свет многочисленные новые методы лечения.

Теперь аналогичный подход с использованием нейтронной визуализации позволяет визуализировать внутреннее функционирование окислительно-восстановительных проточных батарей — типа батарей, которые в основном используются для крупномасштабного хранения в системах солнечной и ветровой энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications .

Возможность заглянуть внутрь этих батарей открывает новые возможности для их усовершенствования.

Этот новый метод с использованием нейтронной визуализации был разработан в результате международного сотрудничества между TU/e, Массачусетским технологическим институтом (MIT) и Институтом Пауля Шеррера в Швейцарии (PSI) под руководством исследователя TU/e ​​Антони Форнера-Куэнки.

Благодаря этому прорыву появились необычные движущиеся изображения, которые помогают нам понять внутреннюю работу окислительно-восстановительных проточных батарей.

Исследования, основанные на любопытстве, в разных дисциплинах

Что еще важнее, изображения дают вдохновение и указания для новых идей и решений. Более непосредственно, метод может помочь в разработке окислительно-восстановительных проточных батарей, хотя новая техника визуализации, разработанная командой Форнера Куэнки, может также помочь другим научным дисциплинам двигаться вперед. «Наш метод является результатом экспериментов и заимствований из разных областей. Это захватывающий пример важности исследований, движимых любопытством, в разных дисциплинах».

Нейтронная радиография играет решающую роль в исследовании под названием «Количественная оценка распределения концентрации в окислительно-восстановительных проточных батареях с помощью нейтронной радиографии». Форнер Куэнка узнал много нового об этой технике визуализации во время обучения в докторантуре, которое началось в 2013 году в PSI. Затем, в 2017 году, он провел постдокторское исследование в MIT, где узнал о окислительно-восстановительных проточных батареях. Вот тогда в его голове загорелась лампочка.

Система осталась черным ящиком

«Внутри проточной батареи находятся движущиеся жидкости — так называемые электролиты. Электрический ток протекает через ячейку, когда батарея находится в режиме заряда или разряда. В результате ионы и окислительно-восстановительные молекулы в электролите начинают двигаться в разных направлениях, что приводит к изменению концентрации молекул.

«Это движение определяет производительность и долговечность батареи, но до сих пор система оставалась черным ящиком. Возможность заглянуть внутрь работающей батареи и визуализировать распределение концентрации значительно улучшила бы наше понимание системы».

Таким образом, ключевой фактор в работе этой батареи остался неизведанной территорией, что заставило Форнера Куэнку задуматься. «Наши тела также в основном состоят из жидкостей, а именно из воды. Рентгеновские лучи проходят через нее и взаимодействуют с более тяжелыми элементами в ваших костях, позволяя вам видеть их, не разрезая тело».

«Нейтроны действуют наоборот: они легко проходят сквозь материалы корпуса батареи, но активно взаимодействуют с молекулами в жидких электролитах».

Новое применение существующей науки

«Используя это фундаментальное свойство нейтронов, взаимодействующих с определенными молекулами, мы впервые применяем нейтронную радиографию для изучения концентрации молекул в проточных батареях». Другими словами, это новое применение существующей науки.

«Эта техника сама по себе не нова; она уже используется в музеях, например, чтобы увидеть, из чего сделаны исторические объекты, не повреждая их. Но теперь мы также можем использовать ее для визуализации движущихся жидкостей, как в окислительно-восстановительных проточных батареях ».

Однако метод, используемый Форнером-Куэнка и его командой, все еще гораздо более трудоемок, чем рентгеновская фотография, и похож на покадровую анимацию.

«Чтобы отслеживать в режиме реального времени, как концентрация жидкостей в батарее меняется, мы непрерывно делаем снимки каждые 30 секунд набора нейтронов, проходящих через батарею. Мы собираем эти снимки воедино, так сказать, предоставляя нам видео, которое показывает, как концентрация меняется во время работы батареи».

Измерение в течение 24 часов в течение 10-дневных смен

Эти эксперименты проводились на источнике нейтронов PSI. Совместная команда из трех аспирантов отвечала за эксперименты с Форнер-Куэнка — Реми Жакмон, Максим ван дер Хейден и Эмре Боз, которые теперь успешно получили докторскую степень. Поскольку эксперименты были интенсивными, команда проводила измерения в течение 24 часов в разные смены в течение примерно 10 дней, чтобы максимизировать производительность.

«Возможность использовать нейтроны — это необыкновенный опыт; в среднем мы используем такое оборудование только раз в два года. PSI (Институт Пауля Шеррера в Швейцарии, где проводились эксперименты, прим. ред.) проводит ежегодный международный конкурс экспериментов, ранжируемый по важности. Нам выпала честь провести четыре успешных эксперимента».

«С точки зрения усилий и опыта этот проект был сложным, и сотрудничество трех аспирантов имело решающее значение для его успеха. Я очень горжусь этими тремя коллегами, которые усердно трудились и сотрудничали как настоящая команда. Это показывает огромную ценность работы в команде, как в нашей исследовательской группе, так и с международными партнерами в PSI и MIT».

Множество областей для улучшения

По словам Форнера Куэнки, визуализация действия жидкости в проточных батареях Redox важна по нескольким причинам. «Разумеется, понимание процессов, происходящих внутри батареи, означает, что мы можем разрабатывать более производительные системы, которые работают более эффективно и имеют более длительный срок службы.

«Поэтому, поскольку они в основном используются для хранения возобновляемой энергии от солнца и ветра, мы надеемся внести свой вклад в энергетический переход». Как объяснил Форнер Куэнка в предыдущей статье на нашем сайте, еще много областей для улучшения.

Однако, как и любая новая технология, она также предлагает другие возможности в будущем. «Например, химические реакторы используются для производства всех видов продукции, таких как пластмассы, косметика и лекарства. Поскольку наш метод позволяет визуализировать органические молекулы в растворе, мы ожидаем, что другие промышленные приложения могут извлечь выгоду из нашей техники визуализации».

Эти новые идеи, в свою очередь, могут привести к совершенно иным методам или идеям. «Вот что меня больше всего волнует: подпитывать любопытство. В конце концов, именно так мы разработали эту новую методологию. Совместные исследования и идеи, движимые любопытством, являются двумя важнейшими элементами научных открытий. При поддержке гранта ERC, который охватывает проекты blue-sky, мы смогли разработать этот метод, и у нас есть много новых идей для реализации в будущем».