Que ce soit à l'intérieur de votre ordinateur portable ou pour stocker de l'énergie à l'extérieur des parcs éoliens, nous avons besoin de haute capacité, durable, et des batteries sûres. En piles, comme dans tout appareil électrochimique, des processus critiques se produisent là où l'électrolyte et la matière active se rencontrent au niveau de l'électrode solide. Cependant, déterminer ce qui se passe au point de rencontre a été difficile car en plus des molécules actives, les interfaces contiennent souvent de nombreux composants inactifs. Dirigé par la chercheuse de laboratoire Dr Julia Laskin, Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory ont maintenant trouvé un moyen de concevoir avec soin des interfaces technologiquement importantes en atterrissant en douceur des molécules actives sur une petite cellule électrochimique à l'état solide. Ils ont emballé l'électrolyte dans une membrane solide, déposé des ions actifs sur le dessus, et caractérisé la cellule en utilisant des techniques électrochimiques traditionnelles. L'appareil qu'ils ont construit leur permet d'étudier des réactions clés en temps réel dans des environnements gazeux contrôlés.

« Pour augmenter les performances, nous devons étudier ce qui se passe à l'intérieur des batteries ou des piles à combustible - comprendre les processus à l'interface en temps réel au fur et à mesure que les réactions se produisent, " a déclaré le Dr Venkateshkumar Prabhakaran, premier auteur de l'étude.

L'appareil permet de comprendre les réactions basiques de claquage, accumulation de matériel, et d'autres processus à la surface de l'électrode pendant le fonctionnement. Être capable de rassembler ces informations dynamiques est vital pour construire de meilleures batteries, réservoirs de carburant, et d'autres appareils énergétiques. Il est également important d'améliorer l'efficacité des procédés industriels grâce à l'électrocatalyse. « Nous menons des recherches fondamentales sur des interfaces de pointe technologiquement pertinentes, " a déclaré Laskin.

Au PNNL, les scientifiques ont conçu un dispositif électrochimique pour étudier l'interface électrode-électrolyte en temps réel. L'appareil utilise une membrane solide ionique-liquide, dans le vide ou d'autres environnements bien contrôlés, qui a des propriétés de transport similaires à un électrolyte liquide.

La membrane solide permet à l'équipe de modifier l'interface électrolytique à l'aide de techniques d'atterrissage en douceur des ions. Avec un atterrissage en douceur, ils placent à l'interface des molécules actives bien caractérisées. Ces molécules comprennent des amas de métaux catalytiques et des espèces de « batteries moléculaires » à activité redox capables de contenir un grand nombre d'électrons, des candidats potentiels pour augmenter la capacité de la batterie.

Dans une nouvelle tournure passionnante, les scientifiques peuvent également ajouter des fragments moléculaires à la cellule. Ils créent les ions fragments en "brisant" les molécules précurseurs en phase gazeuse. Ces fragments en phase gazeuse peuvent ensuite être sélectionnés et ajoutés à la membrane. Le résultat est un film bien défini que vous ne pouvez généralement pas faire en solution. "Cela nous donne accès à un large éventail d'espèces qui ne sont pas stables dans des conditions normales et nous permet de comprendre la contribution de blocs de construction individuels à l'activité globale des molécules mères, " a déclaré le Dr Grant Johnson, un chimiste du PNNL et membre de l'équipe.

Lorsque les amas à atterrissage doux diffusent à travers la membrane extrêmement mince et atteignent la surface de l'électrode du dispositif nouvellement conçu, l'équipe dispose d'une espèce active détaillée et définie avec précision qu'elle peut examiner à l'aide de plusieurs techniques électrochimiques et spectroscopiques. Une fois à l'interface, l'équipe peut étudier comment les molécules actives modifient le transport des électrons, augmenter la capacité ou l'épuiser, par exemple.

Les chercheurs utilisent l'appareil pour étudier comment les amas de métaux nobles à terre molle modifient le dioxyde de carbone pour transformer ce polluant commun en matières premières chimiques plus précieuses.