مکانیسم های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی

درک اینکه چرا برخی مواد در هنگام ذخیره‌سازی انرژی (ذخیره انرژی الکتروشیمیایی) بهتر از سایرین کار می‌کنند، گامی حیاتی برای توسعه باتری‌هایی است که دستگاه‌های الکترونیکی، وسایل نقلیه الکتریکی و شبکه‌های انرژی تجدیدپذیر را تغذیه می‌کنند.

محققان دانشگاه درکسل تکنیک جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند به سرعت مکانیسم‌های الکتروشیمیایی دقیقی را که در باتری‌ها و ابرخازن‌های ترکیبات مختلف اتفاق می‌افتد، شناسایی کند - پیشرفتی که می‌تواند طراحی دستگاه‌های ذخیره انرژی با عملکرد بالاتر را سرعت بخشد.

روش تیم Drexel که در Nature Energy گزارش شده، ترکیبی از دو روش تحقیقاتی علمی تثبیت شده است، یکی برای تعیین ترکیب ترکیبات شیمیایی از طریق توانایی آنها در جذب نور مرئی و دیگری که جریان الکتریکی دستگاه های ذخیره انرژی مانند باتری ها و ابرخازن ها را اندازه گیری می کند.

با اجرای همزمان این آزمایش‌ها، محققان به روش دقیق‌تری برای ردیابی انتقال یون‌ها در دستگاه‌ها دست یافته‌اند - فرآیند الکتروشیمیایی پیچیده‌ای را که بر تولید توان قابل استفاده حاکم است، آشکار می‌کند.

دانژن ژانگ، دانشجوی دکترا در دپارتمان علوم و مهندسی مواد در کالج درکسل گفت: «اگرچه دهه‌ها این زمینه به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است، اما ما هنوز مکانیسم‌های فرآیندهای الکتروشیمیایی در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مختلف را کاملاً درک نمی‌کنیم. مهندسی، و یکی از نویسندگان مقاله.

در حالی که ما درک مفهومی از واکنش های الکتروشیمیایی درگیر داریم، کمی کردن و مشاهده این سیستم های پیچیده الکتروشیمیایی به روشی معنی دار در طول عملیات آنها بسیار دشوار است و یک حوزه تحقیقاتی مداوم است.

چالش در این واقعیت نهفته است که دیدن یون‌ها در واقع امکان‌پذیر نیست - ذرات اتمی باردار که در هنگام شارژ شدن در دستگاه بسته می‌شوند و حرکت آن‌ها جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند که آن را قادر می‌سازد تا یک دستگاه را تغذیه کند.

آنها خیلی کوچک هستند و خیلی سریع حرکت می کنند و بهترین کاری که محققان می‌توانند انجام دهند این است که بر سیگنال‌هایی تکیه کنند که نشان می‌دهند کجا احتمالاً وجود دارند - نوعی رادار اتمی با وضوح پایین - که ذرات را به سمت آنها شلیک می‌کند و آنچه را که منعکس می‌شود ثبت می‌کند.

بدون اینکه بتوانیم ببینیم یون‌ها چگونه خود را در داخل، بالای و بین محفظه‌های ذخیره انرژی دستگاه، به نام الکترود، مرتب می‌کنند، طراحی صحیح آنها برای به حداکثر رساندن فضای ذخیره انرژی و تسهیل ورود و خروج منظم برای یون‌ها می‌تواند بسیار چالش برانگیز باشد.

جان وانگ، محقق فوق دکتری در کالج مهندسی، گفت: این مانند این است که درب انباری خود را با چشمان بسته باز کنید و داخل آن را بو کنید تا مشخص کنید آیا فضای کافی برای چند قوطی سوپ دیگر دارید یا خیر.

و یکی از نویسندگان مقاله «در حال حاضر، انجام اندازه‌گیری‌های مستقیم و مشاهده عملکرد دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی چالش برانگیز است، اگر بتوانیم ساختار اتمی را به خوبی بررسی کنیم تا بدانیم یون‌ها چگونه و در کجا قرار می‌گیرند، بسیار بهتر خواهد بود - آنگاه شاید بتوانیم ساختاری طراحی کنیم که بتواند تعداد بیشتری از آنها را در خود جای دهد.

ما معتقدیم که روشی که ایجاد کرده‌ایم به ما امکان می‌دهد آن اندازه‌گیری‌ها و تنظیمات را انجام دهیم.

سه روش متداول برای جمع شدن یون ها در یک الکترود، در لایه های اتمی آن، روی سطح آن یا بالای سایر یون های موجود در سطح آن است.

هر یک از آنها دارای مزایا و معایبی در مورد عملکرد باتری یا ابرخازن هستند. ورود به لایه‌های ماده الکترود، یا وارد شدن به آن، امکان ذخیره یون‌های بیشتری - انرژی - را فراهم می‌کند.

اتصال و جدا شدن به سطح ماده، که واکنش ردوکس سطحی نامیده می شود، باعث آزاد شدن سریع انرژی می شود. و نشستن با مولکول‌های حلال در بالای لایه‌ای از یون‌ها روی سطح، یک واکنش الکتریکی دولایه، اجازه تخلیه انرژی کمی بیشتر اما انرژی کمتر را می‌دهد.

محققان می‌توانند مشاهده کنند که یک دستگاه ذخیره‌سازی چقدر طول می‌کشد تا تخلیه و دوباره شارژ شود، یا مواد الکترود را در ابتدا و انتهای چرخه تخلیه آزمایش کنند تا ایده خوبی از مکانیسم ذخیره‌سازی غالب بدست آورند.

اما تحقیقات اخیر نشان می دهد که این مکانیسم های ذخیره انرژی ممکن است همیشه به عنوان واکنش های منظم و گسسته رخ ندهند و تعدادی از واکنش ها با مکانیسم های مخلوط یا میانی رخ می دهد. بنابراین، تشخیص دقیق آنها و درک اساسی آنها برای بهبود عملکرد دستگاه های ذخیره انرژی مهم است.

توانایی تعیین کمیت و ردیابی دقیق یون‌های درون یک الکترود و ردیابی آن‌ها در طول چرخه‌های شارژ-تخلیه، به محققان تصویر بهتری از تمام واکنش‌های در حال وقوع می‌دهد - و مهمتر از همه، شناسایی واکنش‌های جانبی انگلی که ممکن است مانع شوند. عملکرد دستگاه

با استفاده از این اطلاعات، طراحان بهتر می توانند مواد الکترود و الکترولیت ها را برای بهبود عملکرد و محدود کردن تخریب تنظیم کنند.

روش جدید تیم Drexel راهی برای نظارت بر موقعیت و حرکت یون‌ها از الکترولیت به الکترود در دستگاه ذخیره‌سازی انرژی ارائه می‌کند و رویکرد آنها طیف‌سنجی مرئی- فرابنفش (UV-vis) - روشی برای تعیین ترکیب شیمیایی یک ترکیب از طریق نحوه جذب نور - با روشی که جریان الکتریکی را در طول چرخه‌های شارژ-تخلیه اندازه‌گیری می‌کند، به نام ولتامتری چرخه‌ای (CV) ترکیب می‌کند.

پیشرفت آنها زمانی حاصل شد که گروه از طیف‌سنجی UV-vis برای مشاهده برهمکنش الکتروشیمیایی در لایه‌های نازک نانومواد مجموعه‌ای از سیستم‌های الکترود-الکترولیت استفاده کردند.

در حالی که طیف‌سنجی UV-vis به طور سنتی به این روش استفاده نمی‌شود، این واقعیت که ماده الکترود مورد مطالعه به قدری نازک بود که شفاف بود، به طیف‌سنجی UV-vis اجازه داد تا تغییرات الکتروشیمیایی آن را در طول شارژ و تخلیه مشخص کند.

برای تایید یافته های اولیه خود، این تیم داده های طیفی را با استفاده از UV-vis در فواصل زمانی مشابه با واکنش های الکتروشیمیایی ثبت کردند.

در طول این فرآیند، آنها متوجه شدند که می‌توان داده‌های طیفی بصری UV-Vis را با اندازه‌گیری‌های CV جریان همگام‌سازی کرد، که سطحی از عدم قطعیت را که رفتار الکتروشیمیایی را که آنها سعی در تعیین کمیت آن‌ها داشتند، از بین می‌برد.

با همبستگی سیگنال‌های دو روش، محققان می‌توانند نه تنها زمان وقوع یک واکنش خاص، بلکه همچنین تعداد الکترون‌هایی که در طول واکنش منتقل می‌شوند را مشخص کنند - شاخص کلیدی نوع مکانیزم الکتروشیمیایی در حال وقوع است.

برای پیوند دادن نتایج، تیم داده‌های UV-vis را بر روی یک نمودار با اندازه‌گیری‌های CV ترسیم کردند و نموداری به نام منحنی UV-vis CV ایجاد کردند و هر مکانیزم الکتروشیمیایی - چه ردوکس، تا حدی ردوکس یا دو لایه الکتریکی باشد - به دلیل تغییر انتقال الکترون در مسیر عبور نور از ماده و همچنین تغییر جریان الکتریکی آن، به عنوان یک منحنی متمایز رسم می‌شود.

به عنوان مثال، خطی که به شکل تقریباً مستطیلی ترسیم می‌کند، نشان‌دهنده وقوع شارژ الکتریکی دولایه است، در حالی که منحنی‌هایی با قله‌های تیز نشان می‌دهند که یک واکنش ردوکس در حال وقوع است.

آنها نوشتند: «منحنی‌های «UV–vis CV» ما را قادر می‌سازد تا همبستگی بین تغییرات طیفی و فرآیندهای الکتروشیمیایی را شناسایی کنیم، در نتیجه تمایز فرآیندهای ردوکس الکتریکی دولایه، شبه‌خازنی و مبتنی بر درون‌سازی باتری را تسهیل می‌کند.

علاوه بر این، کالیبراسیون تغییر حالت اکسیداسیون در یک سیستم شبه خازنی، کمیت تعداد الکترون‌های منتقل شده در طول واکنش را شبیه به طیف‌سنجی جذب پرتو ایکس درجا سینکروترون می‌دهد.

به گفته دانژن، این همبستگی اطلاعات کافی برای تیم برای درک چگونگی تغییر ساختار الکترونی مواد الکترود در طول دوچرخه‌سواری فراهم کرد و این اندازه‌گیری دقیق‌تری نسبت به اندازه‌گیری‌هایی است که با روش‌های گران‌تر و زمان‌بر در حال حاضر استفاده می‌شوند، مانند طیف‌سنجی جذب پرتو ایکس یا از دست دادن انرژی الکترون.

دانژن گفت: با تطبیق دقیق یا ارجاع متقابل آن اندازه‌گیری‌ها، می‌توانیم اثرات واکنش انگلی را حذف کنیم و نتایج کمی خود را دقیق‌تر کنیم.

پس از آزمایش روش خود، تیم توانست این فرضیه را تأیید کند که مکانیسم حاکم بر تعامل بین الکترولیت آب در نمک و الکترود لایه نازک، ساخته شده از یک نانو ماده لایه‌ای دو بعدی، به نام MXene، که در Drexel کشف و مطالعه شد، یک فرآیند شارژ الکتریکی دو لایه است.

دانژن گفت: پیش از این، محققان از UV-vis برای تشخیص کیفی مکانیسم‌های ذخیره انرژی استفاده می‌کردند، اما هرگز فعالیت‌های ردوکس را اندازه‌گیری نکردند، روش UV-vis ما برای تعیین کمیت تعداد انتقال الکترون به طور موثر این اثر را با استفاده از سیگنال‌های نوری برای نظارت مستقیم بر تغییرات در مواد الکترود حذف می‌کند.

علاوه بر این، محاسبات مشتق در روش UV-vis به حذف بیشتر نادرستی‌هایی که هنگام استفاده از خصوصیات الکتروشیمیایی معمولی با آن مواجه می‌شوند، کمک می‌کند.

دکتر یوری گوگوتسی، دانشگاه ممتاز و استاد باخ در کالج مهندسی، که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: شناسایی ترکیب دقیق مواد الکترود و الکترولیت ها از امکانات بی شمار نیازمند ارزیابی سریع و طبقه بندی رفتار الکتروشیمیایی مواد مورد استفاده است.

روش ما با استفاده از تجهیزات در دسترس، فرآیندی کارآمد را ارائه می‌کند که می‌تواند به سرعت و با دقت نحوه تعامل مواد با یون‌ها را در سیستم‌های الکتروشیمیایی طبقه‌بندی کند و استفاده از این برای ترسیم مسیر ما به سمت مواد و دستگاه های ذخیره انرژی بهتر می تواند به جلوگیری از هر گونه اشتباه کمک کند.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.