Ogni tecnologia richiede l’utilizzo di energia che deve essere immagazzinata e messa a disposizione per alimentare ad esempio dispositivi elettronici o illuminare edifici. La grande varietà di dispositivi che richiedono energia on-demand ha portato allo sviluppo di diverse strategie di stoccaggio dell'energia.
Molti sistemi di accumulo dell’energia utilizzano una combinazione di processi chimici ed elettrici. Questo processo prevede un'interfaccia, che è il punto in cui due materiali diversi si incontrano e si trasformano, liberando o accumulando energia. Gli scienziati devono controllare ciò che accade intorno a queste interfacce al fine di creare sistemi di accumulo di energia più efficienti e duraturi. Ma non è facile.
"La maggior parte della ricerca attuale crea un'interfaccia complicata e quindi utilizza tecniche di caratterizzazione avanzate", ha spiegato Grant Johnson, scienziato capo del programma Separation Science presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). "Noi non realizziamo l'intera interfaccia. Prepariamo ogni pezzo separatamente, il che ci permette di studiare i singoli componenti e il modo in cui si formano." Questa tecnica è nota come soft landing ionico.
La tecnologia utilizzata da Johnson e colleghi consente loro di vedere come le singole molecole cariche, o ioni, che esistono nelle interfacce di accumulo di energia, interagiscono con una superficie dell'elettrodo e un potenziale elettrico. Gli scienziati separano le interfacce caotiche, che esistono nei sistemi di accumulo di energia reali, in sistemi distinti formati da un solo tipo di ione e la superficie. I ricercatori possono così studiare il ruolo che ogni molecola svolge nella formazione dell'interfaccia.
Questa tecnica consente ai ricercatori di selezionare un singolo tipo specifico di ione per carica e dimensione. Gli ioni scelti si depositano quindi delicatamente su una superficie conduttiva. Questo processo prepara un'interfaccia definita con precisione, caratteristica delle reazioni delle molecole selezionate con il materiale di superficie.
Una volta preparata l'interfaccia, i ricercatori possono utilizzare altri strumenti per esaminare come la superficie e la molecola interagiscono. Questa caratterizzazione rivela informazioni sulla natura dei legami chimici rotti e formati all'interfaccia.
I sistemi agli ioni di litio, che alimentano molti dei nostri dispositivi elettronici, possono essere i dispositivi di accumulo di energia più familiari. Il team di ricerca del PNNL, tuttavia, sta esplorando sistemi di accumulo di energia ancora più efficienti e potenzialmente trasformativi. Questi includono ioni litio-zolfo, solidi a base di litio e altro ancora. Per questa ricerca, il team ha iniziato preparando una soluzione elettrolitica di molecole e ioni selezionati, come ad esempio vari solfuri di litio, su litio metallico, con una superficie ricca di ossigeno.
Recentemente hanno scoperto un modo in cui gli ioni litio-zolfo caricati negativamente svolgono un ruolo chiave nel funzionamento di questi nuovi dispositivi di accumulo di energia nelle interfacce. Hanno scoperto che gli ioni subiscono reazioni multiple incentrate sulla chimica di riduzione e ossidazione dello zolfo, piuttosto che sul litio.
I risultati spiegano la natura dei legami zolfo-ossigeno e delle relative molecole di reazione osservate nei dispositivi di accumulo di energia. Il lavoro fornisce una spiegazione a livello molecolare del perché esistono forme ossidate di zolfo alle interfacce litio-zolfo. Capire esattamente come questi importanti ioni si trasformano in materiali solidi in un'interfaccia modello aiuta i ricercatori ad abbattere le complicate interfacce nei dispositivi reali. "Ogni volta che esploriamo come reagisce un singolo tipo di molecola, impariamo qualcosa di nuovo che costruisce la conoscenza collettiva sulla formazione dell'interfaccia", ha spiegato Johnson.
Originariamente, i ricercatori del PNNL avevano sviluppato le loro capacità di analisi delle interfacce con il supporto del programma Basic Energy Sciences Separation Science del Dipartimento dell'Energia (DOE). Un incontro tra l'ingegnere chimico Venky Prabhakaran del PNNL con il fisico Vijay Murugesan, qualche anno fa, ha portato all'ingresso del soft landing ionico nel mondo dello stoccaggio di energia. Murugesan lavora per il Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).
L'imminente trasferimento del team al Centro di Scienze dell'Energia semplificherà il loro lavoro. "Attualmente, dobbiamo percorrere diversi corridoi per passare dal laboratorio di soft landing ionico agli strumenti di caratterizzazione chiave", ha dichiarato Murugesan. Anche se il laboratorio non è lontano, quella breve passeggiata causa problemi ai loro campioni altamente sensibili e reattivi. I ricercatori devono utilizzare una speciale "valigia sottovuoto" per trasportare i campioni, anche solo per attraversare il corridoio.
"Nel Centro di Scienze dell'Energia, i nostri laboratori saranno uno accanto all'altro", ha spiegato Prabhakaran. "Avremo una porta comunicante!" La distanza significativamente minore da uno strumento all'altro significa meno tempo per la possibile degradazione o contaminazione del campione.
Una recente innovazione che ha entusiasmato il team prevede la selezione e il deposito simultanei di due tipi di ioni, uno positivo e uno negativo. Questo approccio crea un modello più realistico di dispositivi di accumulo di energia. I diversi ioni interagiscono tra loro e con la superficie, consentendo al team di catturare l'azione all'interfaccia.