Понимание того, почему одни материалы работают лучше, чем другие, когда речь идет о хранении энергии, является важным шагом для разработки аккумуляторов, которые будут питать электронные устройства, электромобили и сети возобновляемых источников энергии. Исследователи из Университета Дрекселя разработали новую методику, позволяющую быстро идентифицировать точные электрохимические механизмы, происходящие в батареях и суперконденсаторах различного состава, — прорыв, который может ускорить разработку более эффективных накопителей энергии.

Как сообщается в Nature Energy, метод команды Дрекселя сочетает в себе две хорошо зарекомендовавшие себя научные исследовательские процедуры, одна из которых используется для определения состава химических соединений по их способности поглощать видимый свет , а другая измеряет электрический ток устройств хранения энергии, таких как батареи и суперконденсаторы.

Запустив эти тесты одновременно, исследователи достигли более точного способа отслеживания переноса ионов внутри устройств, выявив сложный электрохимический процесс, который управляет выработкой полезной энергии.

Как лучше выглядеть

«Хотя эта область была хорошо изучена на протяжении десятилетий, мы до сих пор не до конца понимаем механизмы электрохимических процессов в различных системах накопления энергии», — сказал Данжен Чжан, докторант кафедры материаловедения и инженерии в Дрекселевском колледже. Инжиниринг и соавтор статьи.

«Хотя у нас есть концептуальное понимание вовлеченных электрохимических реакций, количественная оценка и осмысленное наблюдение за этими сложными электрохимическими системами во время их работы чрезвычайно сложно и остается постоянной областью исследований».

Проблема заключается в том, что на самом деле невозможно увидеть ионы — заряженные атомные частицы, упакованные в устройство по мере его зарядки и чье движение создает электрический ток, который позволяет ему питать устройство. Они слишком маленькие и двигаются слишком быстро. Лучшее, что могут сделать исследователи, — это полагаться на сигналы, указывающие на то, где они, вероятно, присутствуют — своего рода атомный радар с низким разрешением — стреляет в них частицами и записывает то, что от них отскакивает.

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

«Это все равно, что открыть дверь своей кладовой с закрытыми глазами и понюхать внутри, чтобы определить, достаточно ли места для еще нескольких банок супа», — сказал Джон Ван, доктор философии, научный сотрудник колледжа. инженера и соавтора статьи.

«В настоящее время по-прежнему сложно проводить прямые измерения и наблюдать за тем, как работают накопители энергии. Было бы намного лучше, если бы мы могли хорошо изучить атомную структуру, чтобы мы знали, как и где будут располагаться ионы — тогда, возможно, мы сможем спроектировать структуру, которая может вместить гораздо больше из них. Мы верим, что созданный нами метод позволит нам сделать эти измерения и корректировки».

Попытка вписаться

Ионы собираются на электроде тремя наиболее распространенными способами: 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 речь идет о производительности батареи или суперконденсатора. Попадание или интеркалирование в слои электродного материала позволяет хранить больше ионов — энергии. Присоединение и отсоединение от поверхности материала, называемое поверхностной окислительно-восстановительной реакцией, обеспечивает быстрое высвобождение энергии. А нахождение молекул растворителя поверх слоя ионов на поверхности, электрическая реакция двойного слоя, обеспечивает разряд немного большей мощности, но меньше энергии.

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

Тревожный секрет

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

Возможность точного количественного определения и отслеживания ионов внутри электрода и отслеживания их в ходе циклов заряда-разряда даст исследователям лучшее представление обо всех происходящих реакциях и, что важно, выявит паразитные побочные реакции, которые могут препятствовать производительность устройства.

Вооружившись этой информацией, разработчики могут лучше адаптировать электродные материалы и электролиты для повышения производительности и ограничения деградации.

Поучительная комбинация

Новый метод команды Drexel предлагает способ контролировать как позиционирование, так и движение ионов от электролита к электроду внутри устройства накопления энергии. Их подход сочетает спектроскопию в ультрафиолетовой и видимой областях (UV-vis) — метод определения химического состава соединения по тому, как оно поглощает свет — с методом измерения электрического тока во время циклов заряда-разряда, который называется циклической вольтамперометрией (CV).

Их прорыв произошел, когда группа использовала УФ-видимую спектроскопию для наблюдения за электрохимическим взаимодействием в тонких пленках наноматериалов ряда 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 записала спектральные данные, используя УФ-видимое излучение, с теми же интервалами, что и электрохимические реакции. В ходе этого процесса они поняли, что можно синхронизировать визуальные спектральные данные в УФ-видимой области с измерениями CV тока, что устранило бы уровень неопределенности, скрывающий электрохимическое поведение, которое они пытались количественно оценить.

Сопоставив сигналы двух методов, исследователи смогли точно определить не только время протекания конкретной реакции, но и то, сколько электронов было передано во время реакции — ключевой показатель того, какой тип электрохимического механизма имеет место.

Чтобы связать результаты, команда нанесла данные УФ-видимого излучения на график с измерениями CV, создав график, названный кривой «УФ-видимый CV». Каждый электрохимический механизм — будь то окислительно-восстановительный, частично окислительно-восстановительный или двойной электрический слой — представляет собой характерную кривую из-за того, как перенос электронов изменяет способ прохождения света через материал, а также изменяет его электрический ток.

Например, линия, имеющая примерно прямоугольную форму, указывает на то, что происходит зарядка двойного электрического слоя, а кривые с острыми пиками указывают на то, что имеет место окислительно-восстановительная реакция.

«Кривые УФ-видимого спектра позволили нам выявить корреляцию между спектральными изменениями и электрохимическими процессами, тем самым облегчив дифференциацию двухслойных электрических, псевдоемкостных и основанных на интеркаляции окислительно-восстановительных процессов аккумуляторного типа», — написали они. «Кроме того, калибровка изменения степени окисления в псевдоемкостной системе позволила количественно определить количество электронов, переданных во время реакции, аналогично синхротронной рентгеновской абсорбционной спектроскопии на месте».

Повышение резкости изображения

По словам Данжена, корреляция предоставила команде достаточно информации, чтобы понять, как электронная структура материалов электродов изменилась 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 влияние паразитарной реакции и сделать наши количественные результаты более точными», — сказал Данжен.

Проверив 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 Дрекселе , представляет собой процесс зарядки двойного электрического слоя.

«Ранее исследователи использовали УФ-видимое излучение для качественного определения механизмов накопления энергии, но никогда не определяли количественно окислительно-восстановительную активность», — сказал Данжен. «Наш метод количественного определения числа переноса электронов в УФ-видимой области эффективно устраняет этот эффект за счет использования оптических сигналов для непосредственного отслеживания изменений в материалах электродов. Кроме того, расчеты производных в рамках метода УФ-видимой области помогают еще больше устранить неточности, возникающие при использовании обычной электрохимической характеристики. »

Более четкий путь вперед

Хотя его текущее применение будет ограничено прозрачностью электродных материалов, исследователи предполагают, что этот метод может быть недорогой альтернативой рентгеновской абсорбционной спектроскопии, оборудование для которой может стоить более 1 миллиона долларов. И это может способствовать разработке материалов для хранения энергии, емкостной деионизации воды, электрохимического срабатывания и сбора энергии, отмечают они.

«Определение точной комбинации электродных материалов и электролитов из бесчисленных возможностей требует быстрой оценки и классификации электрохимического поведения используемых материалов», — сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный профессор Университета и Баха в Инженерном колледже, который руководил исследованием.

«Наш метод обеспечивает эффективный процесс с использованием легкодоступного оборудования, которое может быстро и точно классифицировать, как материалы взаимодействуют с ионами в электрохимических системах. Использование этого, чтобы наметить наш курс на более совершенные материалы и устройства для хранения энергии, может помочь избежать любого количества ошибок.»

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