Far luce sui meccanismi di accumulo dell'energia elettrochimica

May 06, 2023

Immagine simbolica

Immagine generata dal computer

Riportato su Nature Energy, il metodo del team Drexel combina due procedure di ricerca scientifica consolidate, una utilizzata per determinare la composizione dei composti chimici in base alla loro capacità di assorbire la luce visibile e un'altra che misura la corrente elettrica dei dispositivi di accumulo dell'energia, come batterie e supercondensatori. . Eseguendo questi test contemporaneamente, i ricercatori hanno ottenuto un modo più preciso per monitorare il trasferimento degli ioni all’interno dei dispositivi, rivelando l’intricato processo elettrochimico che governa la generazione di energia utilizzabile.

"Sebbene sia stato un campo ben studiato per decenni, non comprendiamo ancora appieno i meccanismi dei processi elettrochimici in vari sistemi di stoccaggio dell'energia", ha affermato Danzhen Zhang, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del Drexel's College of Engineering e coautore dell'articolo. "Anche se abbiamo una comprensione concettuale delle reazioni elettrochimiche coinvolte, quantificare e osservare questi complessi sistemi elettrochimici in modo significativo durante il loro funzionamento è estremamente difficile e rimane un'area di ricerca in corso."

I chimici creano materiali in carbonio per dispositivi di accumulo dell'energia dai rifiuti del birrificio

La sfida sta nel fatto che in realtà non è possibile vedere gli ioni, le particelle atomiche cariche racchiuse in un dispositivo mentre si carica e il cui movimento crea la corrente elettrica che gli consente di alimentare un dispositivo. Sono troppo piccoli e si muovono troppo velocemente. La cosa migliore che i ricercatori possono fare è fare affidamento sui segnali che indicano dove sono probabilmente presenti – una sorta di radar atomico a bassa risoluzione – che spara particelle contro di loro e registra ciò che rimbalza.

Senza essere in grado di vedere come gli ioni si dispongono all’interno, sopra e tra i compartimenti di stoccaggio dell’energia del dispositivo, chiamati elettrodi, può essere piuttosto difficile progettarli correttamente per massimizzare l’area di stoccaggio dell’energia e facilitare l’ingresso e l’uscita ordinata degli ioni.

"Sarebbe come aprire la porta della dispensa con gli occhi chiusi e annusare l'interno per determinare se c'è abbastanza spazio per qualche lattina di zuppa in più", ha detto John Wang, PhD, ricercatore post-dottorato presso il College of Engineering, e coautore dell'articolo. "In questo momento, rimane una sfida effettuare misurazioni dirette e osservare come funzionano i dispositivi di accumulo dell'energia. Sarebbe molto meglio se potessimo dare una buona occhiata alla struttura atomica in modo da sapere come e dove si adatteranno gli ioni, quindi forse potremo progettare una struttura che possa accoglierne molti di più. Crediamo che il metodo che abbiamo creato ci consentirà di effettuare tali misurazioni e aggiustamenti."

I tre modi più comuni in cui gli ioni si assemblano su un elettrodo sono all'interno dei suoi strati atomici, sulla sua superficie o sopra altri ioni già sulla sua superficie.

Ognuna di queste soluzioni presenta vantaggi e svantaggi per quanto riguarda le prestazioni della batteria o del supercondensatore. L'ingresso o l'intercalazione negli strati del materiale dell'elettrodo consente di immagazzinare più ioni (energia). L'attacco e il distacco dalla superficie del materiale, chiamata reazione redox superficiale, consente un rapido rilascio di energia. E appollaiandosi con molecole di solvente sopra uno strato di ioni sulla superficie, una reazione elettrica a doppio strato, consente una scarica di potenza leggermente maggiore ma meno energia.

I ricercatori possono osservare quanto tempo impiega un dispositivo di stoccaggio per scaricarsi e caricarsi nuovamente, oppure testare il materiale dell'elettrodo all'inizio e alla fine di un ciclo di scarica per avere un'idea abbastanza chiara del meccanismo di stoccaggio predominante.

Ma ricerche recenti suggeriscono che questi meccanismi di stoccaggio dell’energia potrebbero non avvenire sempre come reazioni ordinate e discrete. Esistono numerose reazioni che avvengono con meccanismi misti o intermedi. Pertanto, distinguerli accuratamente e comprenderli a fondo è importante per migliorare le prestazioni dei dispositivi di accumulo dell’energia.