Simplifier les interfaces complexes de stockage de l’énergie pour développer de meilleurs dispositifs
Toutes les technologies qui font fonctionner notre monde ont besoin d’énergie à la demande. L’énergie doit être stockée et mise à disposition afin d’alimenter les appareils électroniques et d’éclairer les bâtiments. La grande variété de dispositifs qui nécessitent de l’énergie à la demande a entraîné le développement de plusieurs stratégies de stockage d’énergie.
De nombreux systèmes de stockage d’énergie utilisent une combinaison de processus chimiques et électriques pour changer la forme de l’énergie. Ce processus produit une interface, c’est-à-dire le point où deux matériaux différents se rencontrent et se transforment. Les scientifiques doivent réguler ce qui se passe à ces interfaces et autour d’elles afin de créer des systèmes de stockage d’énergie plus efficaces et plus durables. Mais ce n’est pas facile.
“La plupart des recherches créent une interface compliquée, puis utilisent des techniques de caractérisation avancées pour essayer de la comprendre”, explique Grant Johnson, responsable scientifique du programme Separation Science au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). “En comparaison, nous ne fabriquons pas l’interface entière. Nous préparons chaque pièce séparément, ce qui nous permet d’étudier les composants individuels et la façon dont ils se forment.”
Leur technique est connue sous le nom d’atterrissage en douceur des ions. Elle permet aux scientifiques de voir comment les molécules chargées individuelles, ou ions, qui existent aux interfaces réelles de stockage d’énergie interagissent avec la surface d’une électrode et un potentiel électrique. Elle sépare les interfaces chaotiques qui existent dans les systèmes de stockage d’énergie réels en systèmes distincts avec un seul type d’ion et la surface. Les chercheurs peuvent alors étudier le rôle que joue chaque molécule dans la formation de l’interface.
L’installation sur mesure permet aux chercheurs de réaliser des expériences d’atterrissage en douceur des ions. Crédit : Photo d’Andrea Starr Pacific Northwest National Laboratory
Atterrissage en douceur des ions pour des études ciblées sur le stockage de l’énergie.
L’atterrissage en douceur des ions permet aux chercheurs de sélectionner un type d’ion unique et spécifique par sa charge et sa taille. Les ions choisis atterrissent ensuite en douceur sur une surface conductrice. Ce processus prépare une interface définie avec précision, caractéristique des réactions des molécules sélectionnées et du matériau de surface.
Une fois l’interface préparée, les chercheurs peuvent utiliser d’autres instruments pour examiner comment la surface et la molécule interagissent. Cette caractérisation révèle des informations sur la nature des liaisons chimiques brisées et formées à l’interface.
Les systèmes lithium-ion, qui alimentent un grand nombre de nos appareils électroniques, sont peut-être les dispositifs de stockage d’énergie les plus connus. Cependant, l’équipe de recherche du PNNL explore des systèmes de stockage d’énergie encore plus efficaces et potentiellement transformateurs. Il s’agit notamment des ions lithium-soufre, des solides à base de lithium et de l’évolution de la chimie du lithium. Pour cette recherche, l’équipe part d’une solution électrolytique de molécules et de terres douces d’ions sélectionnés, comme divers sulfures de lithium, sur du lithium métal avec une surface riche en oxygène.
Ils ont récemment découvert une façon dont les ions lithium-soufre chargés négativement jouent un rôle clé dans le fonctionnement de ces nouveaux dispositifs de stockage d’énergie aux interfaces. Ils ont découvert que les ions subissent de multiples réactions centrées sur la chimie de réduction et d’oxydation du soufre, plutôt que du lithium.
Les résultats expliquent la nature des liaisons soufre-oxygène et des molécules réagissant en conséquence observées dans les dispositifs de stockage d’énergie. Les travaux sur l’atterrissage en douceur des ions fournissent une explication au niveau moléculaire de la raison pour laquelle des formes oxydées de soufre existent aux interfaces lithium-soufre. Comprendre exactement comment ces ions importants se transforment en matériaux solides à une interface modèle aide les chercheurs à décomposer les interfaces compliquées dans les dispositifs réels.
“Chaque fois que nous explorons la façon dont un type individuel de molécule réagit, nous apprenons quelque chose de nouveau qui renforce les connaissances collectives sur la formation des interfaces”, a déclaré Johnson.
Coup d’œil sur un substrat après un atterrissage en douceur des ions. Crédit : Photo d’Andrea Starr Pacific Northwest National Laboratory
Comprendre les interfaces impliquées dans le stockage de l’énergie
À l’origine, les chercheurs du PNNL ont développé leurs capacités d’atterrissage en douceur des ions avec le soutien du programme Basic Energy Sciences Separation Science du ministère de l’Énergie (DOE). Dans le cadre de ce programme, l’ingénieur chimiste Venky Prabhakaran a utilisé l’atterrissage en douceur d’ions pour étudier les interfaces électrochimiquement actives pour les séparations. Cependant, il voulait voir ce que la technique pouvait faire au-delà des systèmes de séparation. C’est une rencontre avec le physicien Vijay Murugesan, il y a quelques années, qui a permis à l’atterrissage en douceur des ions de faire son entrée dans le monde du stockage de l’énergie.M. Murugesan dirige un domaine d’intérêt pour le Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), un centre d’innovation du DOE.
“Un jour, j’avais une réunion avec Vijay à propos d’autre chose et nous avons commencé à parler de nos recherches”, a déclaré Prabhakaran. “Nous avons rapidement réalisé que l’atterrissage en douceur des ions pourrait être un outil important pour aider à répondre à des questions clés dans le domaine d’intérêt JCESR que Vijay dirige.”
L’atterrissage en douceur des ions permet aux chercheurs de sélectionner les ions qui atterrissent sur une surface en fonction de leur charge et de leur taille. Crédit : Illustration de Cortland Johnson Pacific Northwest National Laboratory
Le déménagement prochain de l’équipe au Centre des sciences de l’énergie permettra de rationaliser leur travail et de les rapprocher pour une collaboration et des études expérimentales efficaces.
“Actuellement, nous devons emprunter plusieurs couloirs pour aller du laboratoire d’atterrissage en douceur des ions aux principaux instruments de caractérisation”, a déclaré M. Murugesan. Bien que cela ne semble pas très loin, cette courte promenade pose des problèmes pour leurs échantillons très sensibles et réactifs. Les chercheurs doivent utiliser une “valise à vide” spéciale pour transporter les échantillons, même au bout du couloir.
“Dans le Centre des sciences de l’énergie, nos laboratoires seront juste à côté les uns des autres”, dit Prabhakaran. “Nous aurons une porte communicante !” La marche nettement plus courte d’un instrument à l’autre signifie moins de temps pour une éventuelle dégradation ou contamination de l’échantillon.
Une innovation récente qui enthousiasme l’équipe consiste à sélectionner et à déposer simultanément deux types d’ions, l’un positif et l’autre négatif. Cette approche permet de créer un modèle plus réaliste de dispositifs de stockage d’énergie. Les différents ions interagissent entre eux et avec la surface, ce qui permet à l’équipe de capturer l’action à l’interface.
Référence : “Role of Polysulfide Anions in Solid-Electrolyte Interphase Formation at the Lithium Metal Surface in Li-S Batteries” par Kie Hankins, Venkateshkumar Prabhakaran, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Grant E. Johnson, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan, Perla B. Balbuena, Karl T. Mueller et Vijayakumar Murugesan, 22 septembre 2021, The Journal of Physical Chemistry Letters.
DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c01930
Certains des travaux mentionnés dans cet article ont été soutenus dans le cadre de JCESR, un centre d’innovation énergétique financé par le programme Basic Energy Sciences du DOE, Office of Science. Ils ont été réalisés en collaboration avec l’Université Texas A&M. Outre Johnson, Murugesan et Prabhakaran, les autres auteurs du PNNL sont Kie Hankins, Sungun Wi, Vaithiyalingam Shutthanandan, Swadipta Roy, Hui Wang, Yuyan Shao, Suntharampillai Thevuthasan et Karl Mueller. Une partie des travaux a été réalisée à l’EMSL (Environmental Molecular Sciences Laboratory), une installation du DOE Office of Science située au PNNL. Les travaux futurs se poursuivront au Energy Sciences Center.
