Ammoniak er ikke som litiumbatterier – og dog

tirsdag 14 maj 13
|
DTU Energikonverterings Sektion for Modellering og Materialer på Atomar Skala (ASC) har fået to forsider i de anerkendte videnskabelige tidskrifter ”The Journal of Chemical Physics” og ”The Journal of Physical Chemistry C” indenfor kun 14 dage om forskning indenfor så forskellige og alligevel ens områder, som hvordan man forbedrer litium-batterier, og hvordan man lagrer ammoniak bedre.

Alle forskere skriver publikationer, men forskere fra DTU Energikonverterings Sektion for Modellering og Materialer på Atomar Skala (ASC) har fået to forsider i de anerkendte videnskabelige tidskrifter ”The Journal of Chemical Physics” og ”The Journal of Physical Chemistry C” indenfor kun 14 dage.

/upload/dtu energikonvertering/pics/forside journal physical chemistry.jpg/upload/dtu energikonvertering/pics/forside journal chemical physics.pngDe to artikler i "The Journal of Chemical Physics", vol. 138, s. 164701 af 28. April 2013 og "The Journal of Physical Chemistry C", vol. 117, s. 9084 af 9. maj 2013 omhandler de to forskerholds forskning indenfor så forskellige og alligevel ens områder som hvordan man forbedrer litium-batterier og hvordan man lagrer ammoniak bedre f.eks. til brug i brændselsceller og til rensning af udstødningsgasser fra dieselbiler.

 

 Bittesmå atomare flaskehalse

”Litium-batterier og ammoniaklagring er meget forskellige processer, men i bund og grund drejer problematikken sig om det samme”, siger ASC-sektionsleder, Professor Tejs Vegge.

”Uanset hvor forskellige reaktionsvejene er, og uanset hvor kompleks materialernes funktionalitet er, så findes der næsten altid en enkel proces, der begrænser det hele på atomart niveau. Et enkelt trin, der afgør, hvor hurtigt resten af processen sker. Og i ASC er vi gode til at identificere og karakterise disse processer.”

Det er ingen simpel sag at skrælle alt det komplekse af reaktionsvejen og få identificeret de bittesmå atomare flaskehalse i de fundamentale processer, men ved hjælp af DTU’s supercomputere på CAMD ved DTU Fysik har ASC-forskerne kunne identificere og simulere de kvantemekaniske atomare processer.

”Vi ser på processerne og analyserer, hvad der sker hvis vi ændrer processen eller egenskaberne lidt ved at flytte et enkelt molekyle eller et atom. Det kan sammenlignes med et enormt og meget komplekst puslespil, hvor vi kombinerer millioner af beregninger i processen, men det gør os i stand til at forudse nye sammensætninger i materialer, så et materiale kan gå fra næsten ubrugeligt til at være 1000 gange mere anvendeligt i en anden form og sammensætning,” fortæller Tejs Vegge.

Hvorfor en solid elektrolyt er bedre end en flydende?

I artiklen ”Li-ion Conduction in the LiBH4:Lil System from Density Functional Theory Calculations and Quasi-Elastic Neutron Scattering” af Jon Steinar Gardarsson Myrdal, et al. i The Journal of Physical Chemistry C af 9. maj beskriver ASC-forskerne, hvordan litiumbatteriers effektivitet og levetid kan øges markant ved at udskifte batteriets nuværende flydende elektrolyse til en fast og krystallisk elektrolyt.

”I litiumbatterier bruges i dag ofte flydende elektrolytter, fordi faste elektrolytter har haft for dårlig ledningsevne ved lave temperaturer. Men flydende elektrolytter har bl.a. det problem at de kan fordampe, eller at man risikerer vækst af dendritter, så batteriet kortslutter,” siger Tejs Vegge.

ASC-forskerne har nu efter talrige beregninger og forsøg påvist, at brug af jod i faste elektrolytter kan skabe bedre ledningsevne ved stuetemperatur, hvilket i teorien muliggør brug af faste elektrolytter i litiumbatterier.

Forskerne har været længe undervejs og maj-nummeret af ”The Journal of Physical Chemistry C” er tredje artikel om emnet. Først samarbejdede Tejs Vegge og hans forskere med forskere fra det japanske Tohuko-universitet for lave teorier om og beregne hvad der ville ske, når de kom jod i elektrolytten og efterfølgende beskrev de den optimale mængde jod, der skulle bruges.

I denne måneds artikel beskrives selve den atomare mekanisme ved hjælp af computerberegninger og neutronspredning, og forklarer hvorfor jod virker bedre.

”Vi kan ikke beskrive det hele kvantemekanisk, dertil er det alt for komplekst. Men vha. nogle tilnærmelser og avancerede beregninger, kan vi vise hvorfor det virker - og hvorfor det rent faktisk virker bedre end først antaget. Nu skal vi så se på stabiliteten, for det skal jo kunne bruges i et reelt batteri,” siger Tejs Vegge.

Simuleringerne viste en ny tilstand

Artiklen om ”Surface adsorption in strontium chloride ammines” af Andreas Ammitzbøl, et al. i The Journal of Chemical Physics af 28. april er del af et projekt i samarbejde med Amminex Emissions Technologies A/S og støttet af Højteknologifonden. Her bruger forskerne de samme metoder i beregningerne af materialer til lagring af ammoniak, fx til rensning af NOx-gasser eller til energiopbevaring i forbindelse med brændselsceller.

”Litium-jod batteriet er elektrokemisk, hvorimod ammoniaklagringen er ren kemisk, så reaktionsvejene er meget forskellige. Alligevel kan vi bruge de samme computerberegninger til at forudse mekanismerne i begge forbindelser”, siger sektionslederen, Professor Tejs Vegge.

”I ammoniak-forbindelsen har vi set på, hvorfor ammoniakoptag og -frigivelse opfører sig, som de gør. Vi har bl.a. gennem vore beregninger og eksperimenter kunnet forudse en tilstand i materialet, som der ikke tidligere har været taget højde for. Vi påviste ud fra beregninger og eksperimentelle målinger, hvor den tilstand lå i både reaktionsmekanismen og rent fysisk i overfladen, og det er vigtigt for forståelsen af, hvor hurtigt processerne sker.”

Artiklen om ammoniaklagring er også et godt eksempel på, hvordan forståelse af de primære og helt fundamentale reaktionsmekanismer på atomar skala kan have direkte indflydelse på den kommercielle udnyttelse af materialer, f.eks. til rensning af udstødningsgasser fra dieselbiler.

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.