Zu verstehen, warum bestimmte Materialien bei der Energiespeicherung besser funktionieren als andere, ist ein entscheidender Schritt für die Entwicklung von Batterien, die elektronische Geräte, Elektrofahrzeuge und Netze für erneuerbare Energien mit Strom versorgen. Forscher der Drexel University haben eine neue Technik entwickelt, mit der die genauen elektrochemischen Mechanismen schnell identifiziert werden können, die in Batterien und Superkondensatoren verschiedener Zusammensetzungen ablaufen – ein Durchbruch, der die Entwicklung leistungsfähigerer Energiespeichergeräte beschleunigen könnte.
Eingemeldet Energie der Natur, kombiniert die Methode des Drexel-Teams zwei etablierte wissenschaftliche Forschungsverfahren, eines zur Bestimmung der Zusammensetzung chemischer Verbindungen anhand ihrer Fähigkeit, sichtbares Licht zu absorbieren, und eines, das den elektrischen Strom von Energiespeichergeräten wie Batterien und Superkondensatoren misst. Durch die gleichzeitige Durchführung dieser Tests haben die Forscher eine genauere Methode zur Verfolgung des Ionentransfers innerhalb der Geräte erreicht – und damit den komplizierten elektrochemischen Prozess enthüllt, der die Erzeugung nutzbarer Energie steuert.
Besser aussehen
„Obwohl es seit Jahrzehnten ein gut untersuchtes Gebiet ist, verstehen wir die Mechanismen elektrochemischer Prozesse in verschiedenen Energiespeichersystemen immer noch nicht vollständig“, sagte Danzhen Zhang, Doktorand am Department of Materials Science and Engineering des Drexel’s College of Engineering und Co-Autor des Artikels. „Obwohl wir ein konzeptionelles Verständnis der beteiligten elektrochemischen Reaktionen haben, ist die Quantifizierung und sinnvolle Beobachtung dieser komplexen elektrochemischen Systeme während ihres Betriebs äußerst schwierig und bleibt ein fortlaufendes Forschungsgebiet.“
Die Herausforderung liegt in der Tatsache, dass es eigentlich nicht möglich ist, Ionen zu sehen – die geladenen Atomteilchen, die in ein Gerät gepackt werden, während es sich auflädt und deren Bewegung den elektrischen Strom erzeugt, der es ermöglicht, ein Gerät mit Strom zu versorgen. Sie sind zu klein und bewegen sich zu schnell. Das Beste, was Forscher tun können, ist, sich auf die Signale zu verlassen, die anzeigen, wo sie wahrscheinlich vorhanden sind – eine Art Atomradar mit niedriger Auflösung –, das Partikel auf sie abfeuert und aufzeichnet, was davon abprallt.
Ohne sehen zu können, wie sich Ionen in, auf und zwischen den Energiespeicherfächern des Geräts, Elektroden genannt, anordnen, kann es ziemlich schwierig sein, sie richtig zu gestalten, um die Energiespeicherfläche zu maximieren und den geordneten Ein- und Austritt für die Ionen zu erleichtern.
„Es wäre so, als würde man mit geschlossenen Augen die Tür der Speisekammer öffnen und darin schnüffeln, um festzustellen, ob man noch genug Platz für ein paar weitere Dosen Suppe hat“, sagte Dr. John Wang, wissenschaftlicher Mitarbeiter am College of Engineering. und Co-Autor des Artikels. „Im Moment bleibt es eine Herausforderung, direkte Messungen durchzuführen und zu beobachten, wie Energiespeichergeräte funktionieren. Es wäre viel besser, wenn wir uns die atomare Struktur genau ansehen könnten, damit wir wissen, wie und wo die Ionen passen – dann vielleicht wir können eine Struktur entwerfen, die viel mehr von ihnen aufnehmen kann. Wir glauben, dass die von uns entwickelte Methode es uns ermöglichen wird, diese Messungen und Anpassungen vorzunehmen.“
Versuchen hinein zu passen
Die drei häufigsten Arten, wie sich Ionen an einer Elektrode ansammeln, sind innerhalb ihrer Atomschichten, auf ihrer Oberfläche oder auf anderen Ionen, die sich bereits auf ihrer Oberfläche befinden.
Jede dieser Anordnungen hat Vor- und Nachteile, wenn es um die Leistung von Batterien oder Superkondensatoren geht. Durch das Eintreten oder Einlagern in die Schichten des Elektrodenmaterials können mehr Ionen – Energie – gespeichert werden. Das An- und Ablösen an der Oberfläche des Materials, eine so genannte Oberflächen-Redoxreaktion, ermöglicht eine schnelle Energiefreisetzung. Und das Sitzen mit Lösungsmittelmolekülen auf einer Ionenschicht auf der Oberfläche, eine elektrische Doppelschichtreaktion, ermöglicht eine etwas größere Leistungsentladung, aber weniger Energie.
Forscher können beobachten, wie lange es dauert, bis sich ein Speichergerät entlädt und wieder auflädt, oder das Elektrodenmaterial zu Beginn und am Ende eines Entladezyklus testen, um eine ziemlich gute Vorstellung vom vorherrschenden Speichermechanismus zu bekommen.
Ein beunruhigendes Geheimnis
Jüngste Forschungsergebnisse legen jedoch nahe, dass diese Energiespeichermechanismen möglicherweise nicht immer als geordnete, diskrete Reaktionen auftreten. Es gibt eine Reihe von Reaktionen, die mit gemischten oder intermediären Mechanismen ablaufen. Daher ist es wichtig, sie genau zu unterscheiden und grundlegend zu verstehen, um die Leistung von Energiespeichern zu verbessern.
In der Lage zu sein, Ionen innerhalb einer Elektrode genau zu quantifizieren und zu verfolgen und sie im Laufe ihrer Lade-Entlade-Zyklen zu verfolgen, wird den Forschern ein besseres Bild von allen stattfindenden Reaktionen geben – und, was wichtig ist, die parasitären Nebenreaktionen identifizieren, die auftreten können beeinträchtigen die Leistung des Geräts.
Ausgestattet mit diesen Informationen könnten Entwickler Elektrodenmaterialien und Elektrolyte besser maßschneidern, um die Leistung zu verbessern und die Verschlechterung zu begrenzen.
Eine aufschlussreiche Kombination
Die neue Methode des Drexel-Teams bietet eine Möglichkeit, sowohl die Positionierung als auch die Bewegung von Ionen vom Elektrolyten zur Elektrode innerhalb einer Energiespeichervorrichtung zu überwachen. Ihr Ansatz kombiniert die Ultraviolett-Vis-Spektroskopie (UV-Vis) – eine Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung einer Verbindung anhand ihrer Lichtabsorption – mit einer Methode, die den elektrischen Strom während Lade-Entlade-Zyklen misst, die so genannte zyklische Voltammetrie (CV ).
Ihr Durchbruch kam, als die Gruppe UV-Vis-Spektroskopie verwendete, um die elektrochemische Wechselwirkung in dünnen Nanomaterialfilmen einer Reihe von Elektroden-Elektrolyt-Systemen zu beobachten. Während die UV-Vis-Spektroskopie traditionell nicht auf diese Weise verwendet wurde, ermöglichte die Tatsache, dass das untersuchte Elektrodenmaterial so dünn war, dass es transparent war, der UV-Vis-Spektroskopie, seine elektrochemischen Änderungen während des Ladens und Entladens zu charakterisieren.
Um ihre ersten Ergebnisse zu validieren, zeichnete das Team Spektraldaten mit UV-Vis in denselben Intervallen wie die elektrochemischen Reaktionen auf. Im Laufe dieses Prozesses erkannten sie, dass es möglich sein könnte, visuelle UV-Vis-Spektraldaten mit CV-Messungen des Stroms zu synchronisieren, was ein gewisses Maß an Unsicherheit beseitigen würde, das das elektrochemische Verhalten verschleiert, das sie zu quantifizieren versuchten.
Durch die Korrelation der Signale von zwei Methoden konnten die Forscher nicht nur feststellen, wann eine bestimmte Reaktion stattfand, sondern auch, wie viele Elektronen während der Reaktion übertragen wurden – der Schlüsselindikator dafür, welche Art von elektrochemischem Mechanismus stattfindet.
Um die Ergebnisse zu verknüpfen, zeichnete das Team die UV-Vis-Daten in einem Diagramm mit den CV-Messungen auf und erstellte ein Diagramm, das als „UV-Vis-CV“-Kurve bezeichnet wird. Jeder elektrochemische Mechanismus – ob Redox, partielles Redox oder elektrische Doppelschicht – wird aufgrund der Art und Weise, wie der Elektronentransfer den Lichtdurchgang durch das Material verändert und seinen elektrischen Strom verschiebt, als charakteristische Kurve dargestellt.
Zum Beispiel würde eine Linie, die ungefähr rechteckig gezeichnet ist, anzeigen, dass eine elektrische Doppelschichtladung stattfindet, während Kurven mit scharfen Spitzen anzeigen, dass eine Redoxreaktion stattfindet.
„Die ‚UV-Vis-CV‘-Kurven ermöglichten es uns, eine Korrelation zwischen spektralen Änderungen und elektrochemischen Prozessen zu identifizieren, wodurch die Unterscheidung von Redoxprozessen vom elektrischen Doppelschicht-, pseudokapazitiven und interkalationsbasierten Batterietyp erleichtert wurde“, schrieben sie. „Darüber hinaus ermöglichte die Kalibrierung der Änderung des Oxidationszustands in einem pseudokapazitiven System die Quantifizierung der Anzahl der während der Reaktion übertragenen Elektronen, ähnlich wie bei der Synchrotron-Röntgenabsorptionsspektroskopie in situ.“
Schärfen des Bildes
Die Korrelation lieferte dem Team genügend Informationen, um zu verstehen, wie sich die Elektronenstruktur der Elektrodenmaterialien während des Radfahrens veränderte, so Danzhen. Und dies ist eine genauere Messung als die derzeit verwendeten teureren und zeitaufwändigeren Methoden wie Röntgenabsorption oder Elektronenenergieverlustspektroskopie.
„Durch den genauen Abgleich oder Querverweis dieser Messungen können wir die Auswirkungen parasitärer Reaktionen eliminieren und unsere quantitativen Ergebnisse genauer machen“, sagte Danzhen.
Indem es seine Methode auf die Probe stellte, konnte das Team dann eine Hypothese bestätigen, dass der Mechanismus, der die Wechselwirkung zwischen einem Wasser-in-Salz-Elektrolyten und einer Dünnschichtelektrode aus einem zweidimensionalen, geschichteten Nanomaterial namens MXene steuert, das bei Drexel entdeckt und untersucht wurde, ist ein elektrisches Doppelschicht-Ladeverfahren.
„Früher haben Forscher UV-vis verwendet, um Energiespeichermechanismen qualitativ zu unterscheiden, aber nie Redoxaktivitäten quantifiziert“, sagte Danzhen. „Unsere UV-Vis-Methode zur Quantifizierung der Elektronentransferzahl eliminiert diesen Effekt effektiv, indem sie optische Signale verwendet, um Änderungen in den Elektrodenmaterialien direkt zu überwachen. Darüber hinaus helfen abgeleitete Berechnungen innerhalb der UV-Vis-Methode, Ungenauigkeiten, die bei der Verwendung herkömmlicher elektrochemischer Charakterisierung auftreten, weiter zu eliminieren. „
Ein klarerer Weg nach vorne
Obwohl die derzeitige Anwendung auf die Transparenz von Elektrodenmaterialien beschränkt wäre, schlagen die Forscher vor, dass diese Methode eine kostengünstige Alternative zur Röntgenabsorptionsspektroskopie sein könnte – deren Ausrüstung mehr als 1 Million Dollar kosten kann. Und es könnte die Entwicklung von Materialien für die Energiespeicherung, die kapazitive Wasserdeionisierung, die elektrochemische Betätigung und die Energiegewinnung erleichtern, stellen sie fest.
„Die Identifizierung der genauen Kombination von Elektrodenmaterialien und Elektrolyten aus unzähligen Möglichkeiten erfordert eine schnelle Bewertung und Kategorisierung des elektrochemischen Verhaltens der verwendeten Materialien“, sagte Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University und Bach-Professor am College of Engineering, der die Forschung leitete . „Unsere Methode bietet einen effizienten Prozess mit leicht verfügbarer Ausrüstung, der schnell und genau kategorisieren kann, wie Materialien mit Ionen in elektrochemischen Systemen interagieren. Wenn wir dies verwenden, um unseren Kurs in Richtung besserer Energiespeichermaterialien und -geräte festzulegen, könnte dies dazu beitragen, eine Reihe von Fehltritten zu vermeiden .“
Das Team plant, seine Arbeit fortzusetzen, indem es mit seiner Methode neue Kombinationen von Elektrolyt- und Elektrodenmaterialien testet und komplexere Systeme der elektrochemischen Energiespeicherung untersucht.
