Comprendre pourquoi certains matériaux fonctionnent mieux que d’autres en matière de stockage d’énergie est une étape cruciale pour développer les batteries qui alimenteront les appareils électroniques, les véhicules électriques et les réseaux d’énergie renouvelable. Des chercheurs de l’Université Drexel ont mis au stage une nouvelle system able d’identifier rapidement les mécanismes électrochimiques exacts qui se déroulent dans les batteries et les supercondensateurs de diverses compositions – une percée qui pourrait accélérer la conception de dispositifs de stockage d’énergie additionally performants.
Rapportée dans Character Vitality, la méthode de l’équipe Drexel mix deux procédures de recherche scientifique bien établies, l’une utilisée pour déterminer la composition des composés chimiques par leur capacité à absorber la lumière noticeable et l’autre qui mesure le courant électrique des dispositifs de stockage d’énergie, comme les batteries et les supercondensateurs.. En exécutant ces tests simultanément, les chercheurs sont parvenus à un moyen as well as précis de suivre le transfert d’ions dans les appareils, révélant le processus électrochimique complexe qui régit la génération d’énergie utilisable.
Obtenir un meilleur search
“Bien qu’il s’agisse d’un domaine bien étudié depuis des décennies, nous ne comprenons toujours pas pleinement les mécanismes des processus électrochimiques dans divers systèmes de stockage d’énergie”, a déclaré Danzhen Zhang, doctorant au Département de science et d’ingénierie des matériaux du Drexel’s School of Ingénierie, et co-auteur de l’article. “Bien que nous ayons une compréhension conceptuelle des réactions électrochimiques impliquées, quantifier et observer ces systèmes électrochimiques complexes de manière significative pendant leur fonctionnement est extrêmement difficile et reste un domaine de recherche en cours.”
Le défi réside dans le fait qu’il n’est pas réellement attainable de voir des ions – les particules atomiques chargées emballées dans un appareil pendant qu’il se cost et dont le mouvement crée le courant électrique qui lui permet d’alimenter un appareil. Ils sont trop petits et ils bougent trop vite. Le mieux que les chercheurs puissent faire est de se fier aux signaux qui indiquent où ils sont probablement présents – une sorte de radar atomique à basse résolution – leur lançant des particules et enregistrant ce qui rebondit.
Sans pouvoir voir comment les ions s’arrangent à l’intérieur, au-dessus et entre les compartiments de stockage d’énergie de l’appareil, appelés électrodes, il peut être assez difficile de les concevoir correctement pour maximiser la zone de stockage d’énergie et faciliter l’entrée et la sortie ordonnées des ions.
Essayant de s’insérer
Les trois façons les plus courantes d’assemblage des ions au niveau d’une électrode se situent à l’intérieur de ses couches atomiques, à sa floor ou au-dessus d’autres ions déjà à sa surface.
Chacun de ces arrangements présente des avantages et des inconvénients en ce qui concerne les performances de la batterie ou du supercondensateur. L’entrée ou l’intercalation dans les couches du matériau de l’électrode permet de stocker furthermore d’ions – l’énergie -. L’attachement et le détachement à la area du matériau, appelé réaction redox de area, permet une libération rapide d’énergie. Et se percher avec des molécules de solvant au sommet d’une couche d’ions à la area, une réaction électrique à double couche, permet une décharge de puissance légèrement furthermore grande mais moins d’énergie.
Les chercheurs peuvent observer combien de temps il faut à un dispositif de stockage pour se décharger et se recharger, ou tester le matériau d’électrode au début et à la fin d’un cycle de décharge pour avoir une assez bonne idée du mécanisme de stockage prédominant.
Un secret troublant
Mais des recherches récentes suggèrent que ces mécanismes de stockage d’énergie ne se produisent pas toujours sous forme de réactions ordonnées et discrètes. Il existe un certain nombre de réactions qui se produisent avec des mécanismes mixtes ou intermédiaires. Ainsi, les distinguer avec précision et les comprendre fondamentalement est crucial pour améliorer les performances des dispositifs de stockage d’énergie.
Être able de quantifier et de suivre avec précision les ions dans une électrode et de les suivre au cours de ses cycles de demand-décharge donnera aux chercheurs une meilleure image de toutes les réactions qui se produisent – et, surtout, d’identifier les réactions secondaires parasites qui peuvent nuire aux performances de l’appareil.
Forts de ces informations, les concepteurs pourraient mieux adapter les matériaux d’électrode et les électrolytes pour améliorer les performances et limiter la dégradation.
Une combinaison éclairante
La nouvelle méthode de l’équipe Drexel offre un moyen de surveiller à la fois le positionnement et le mouvement des ions de l’électrolyte à l’électrode dans un dispositif de stockage d’énergie. Leur approche merge la spectroscopie ultraviolet-visible (UV-vis) – une méthode pour déterminer la composition chimique d’un composé par la façon dont il absorbe la lumière – avec une méthode qui mesure le courant électrique pendant les cycles de cost-décharge, appelée voltamétrie cyclique (CV ).
Leur percée a eu lieu lorsque le groupe a utilisé la spectroscopie UV-vis pour observer l’interaction électrochimique dans les movies minces de nanomatériaux d’une série de systèmes électrode-électrolyte. Bien que la spectroscopie UV-vis n’ait pas été traditionnellement utilisée de cette manière, le fait que le matériau d’électrode étudié était si mince qu’il était clear a permis à la spectroscopie UV-vis de caractériser ses changements électrochimiques pendant la demand et la décharge.
Pour valider leurs premiers résultats, l’équipe a enregistré des données spectrales à l’aide d’UV-vis aux mêmes intervalles que les réactions électrochimiques. Au cours de ce processus, ils ont réalisé qu’il était attainable de synchroniser les données spectrales visuelles UV-Vis avec les mesures CV du courant, ce qui éliminerait un niveau d’incertitude enveloppant le comportement électrochimique qu’ils tentaient de quantifier.
En corrélant les signaux de deux méthodes, les chercheurs ont pu déterminer non seulement quand une réaction particulière se produisait, mais aussi combien d’électrons étaient transférés pendant la réaction – l’indicateur clé du form de mécanisme électrochimique en cours.
Pour relier les résultats, l’équipe a tracé les données UV-vis sur un graphique avec les mesures CV, créant un tracé appelé courbe “UV-vis CV”. Chaque mécanisme électrochimique – qu’il soit redox, partiellement redox ou à double couche électrique – trace une courbe distincte en raison de la façon dont le transfert d’électrons modifie la façon dont la lumière traverse le matériau, ainsi que le déplacement de son courant électrique.
Par exemple, une ligne qui trace une forme à peu près rectangulaire indiquerait qu’une charge électrique à double couche se produit, tandis que des courbes avec des photos pointus indiquent qu’une réaction redox est en cours.
“Les courbes” UV-vis CV “nous ont permis d’identifier une corrélation entre les changements spectraux et les processus électrochimiques, facilitant ainsi la différenciation des processus redox électriques à double couche, pseudocapacitifs et basés sur l’intercalation”, ont-ils écrit. “En outre, l’étalonnage du changement d’état d’oxydation dans un système pseudo-capacitif a permis la quantification du nombre d’électrons transférés au cours de la réaction, similaire à la spectroscopie d’absorption des rayons X synchrotron in situ.”
Affiner l’image
La corrélation a fourni suffisamment d’informations pour que l’équipe comprenne comment la structure électronique des matériaux d’électrode a changé pendant le cycle, selon Danzhen. Et c’est une mesure in addition précise que celles enregistrées par les méthodes as well as coûteuses et moreover longues actuellement utilisées, telles que l’absorption des rayons X ou la spectroscopie de perte d’énergie électronique.
“En faisant correspondre précisément ou en croisant ces mesures, nous pouvons éliminer les effets de la réaction parasite et rendre nos résultats quantitatifs in addition précis”, a déclaré Danzhen.
En mettant sa méthode à l’épreuve, l’équipe a ensuite pu confirmer une hypothèse selon laquelle le mécanisme régissant l’interaction entre un électrolyte eau dans le sel et une électrode à couche mince, constituée d’un nanomatériau bidimensionnel en couches, appelé MXène, qui a été découvert et étudié à Drexel, est un processus de demand électrique à double couche.
“Auparavant, les chercheurs utilisaient l’UV-vis pour distinguer qualitativement les mécanismes de stockage d’énergie, mais n’avaient jamais quantifié les activités redox”, a déclaré Danzhen. “Notre méthode UV-vis pour quantifier le nombre de transfert d’électrons élimine efficacement cet effet en utilisant des signaux optiques pour surveiller directement les changements dans les matériaux d’électrode. De plus, les calculs dérivés dans la méthode UV-vis aident à éliminer davantage les inexactitudes rencontrées lors de l’utilisation de la caractérisation électrochimique conventionnelle. ”
Une voie additionally claire
Bien que son application actuelle soit limitée à la transparence des matériaux d’électrode, les chercheurs suggèrent que cette méthode pourrait être une alternate peu coûteuse à la spectroscopie d’absorption des rayons X, dont l’équipement peut coûter as well as d’un million de bucks. Et cela pourrait faciliter le développement de matériaux pour le stockage d’énergie, la désionisation capacitive de l’eau, l’actionnement électrochimique et la récupération d’énergie, notent-ils.
“L’identification de la combinaison précise de matériaux d’électrodes et d’électrolytes à partir d’une myriade de possibilités nécessite une évaluation et une catégorisation rapides du comportement électrochimique des matériaux utilisés”, a déclaré Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University et professeur Bach au College or university of Engineering, qui a dirigé la recherche.. “Notre méthode fournit un processus efficace, utilisant un équipement facilement disponible, qui peut catégoriser rapidement et avec précision la façon dont les matériaux interagissent avec les ions dans les systèmes électrochimiques. L’utiliser pour tracer notre voie vers de meilleurs matériaux et dispositifs de stockage d’énergie pourrait aider à éviter un selected nombre de faux pas..”
L’équipe prévoit de poursuivre ses travaux en utilisant sa méthode pour tester de nouvelles combinaisons d’électrolytes et de matériaux d’électrodes et pour étudier des systèmes moreover complexes de stockage d’énergie électrochimique.