20세기 초 X-선 영상의 발명은 의학 분야에서 지식의 도약을 가져왔습니다.그 이후로 우리는 우리 몸의 뼈가 어떻게 작동하는지 볼 수 있게 되었고 수많은 새로운 치료법이 밝혀졌습니다.

이제 유사한 접근 방식을 사용하여중성자 이미징태양광 및 풍력 에너지 시스템의 대규모 저장에 주로 사용되는 배터리 유형인 레독스 흐름 배터리의 내부 기능을 시각화할 수 있습니다.연구는출판됨일지에네이처커뮤니케이션즈.

이러한 배터리 내부를 볼 수 있으면 배터리를 개선할 수 있는 새로운 가능성이 제공됩니다.

TU/e 연구원 Antoni Forner-Cuenca가 주도하는 TU/e, MIT(매사추세츠 공과대학), 스위스 Paul Scherrer 연구소(PSI) 간의 국제 협력을 통해 중성자 이미징을 사용하는 이 새로운 방법을 개발했습니다..

이 획기적인 기술은 산화환원 흐름 배터리의 내부 작동 방식을 이해하는 데 도움이 되는 놀라운 동영상 이미지를 제공합니다.

여러 학문 분야에 걸친 호기심 중심 연구

더 중요한 것은 이미지가 새로운 아이디어와 솔루션에 대한 영감과 지침을 제공한다는 것입니다.보다 직접적으로, 이 방법은 산화환원 흐름 배터리의 개발을 도울 수 있지만 Forner Cuenca 팀이 고안한 새로운 이미징 기술은 다른 과학 분야의 발전에도 도움이 될 수 있습니다."우리의 방법은 다양한 분야를 실험하고 차용한 결과입니다. 이는 학문 전반에 걸쳐 호기심 중심 연구의 중요성을 보여주는 흥미로운 예입니다."

중성자 방사선 촬영은 "중성자 방사선 촬영을 이용한 산화환원 흐름 배터리의 농도 분포 정량화"라는 제목의 연구에서 중요한 역할을 합니다.Forner Cuenca는 박사 과정 동안 이 이미징 기술에 대해 많은 것을 배웠습니다.2013년 PSI에서 시작된 훈련입니다.그러다가 2017년 MIT에서 박사후 연구를 하면서 레독스 흐름전지에 대해 배웠다.바로 그때 그의 머리에 전구가 켜졌다.

시스템은 블랙박스로 남았습니다.

"플로우 배터리 내부에는 움직이는 유체, 즉 전해질이 있습니다. 배터리가 충전 또는 방전될 때 전류가 셀을 통해 흐릅니다. 결과적으로 전해질 내의 이온과 산화환원 분자가 서로 다른 방향으로 움직이기 시작합니다.결과적으로 분자 농도의 변화가 발생합니다.

"이러한 움직임이 배터리의 성능과 내구성을 결정하지만 현재까지 시스템은 블랙박스로 남아 있었습니다. 작동하는 배터리 내부를 살펴보고 농도 분포를 시각화하는 기능은 시스템에 대한 이해를 엄청나게 향상시킬 것입니다."

따라서 배터리 작동 방식에 대한 핵심 요소는 미지의 영역으로 남아 있으며 Forner Cuenca는 생각하게 되었습니다."또한 우리 몸은 대부분 액체, 즉 물로 구성되어 있습니다. 엑스레이는 이를 통과하여 뼈에 있는 더 무거운 요소와 상호 작용하므로 몸을 자르지 않고도 볼 수 있습니다.

"중성자는 반대 방향으로 작동합니다. 즉, 배터리 케이스 재료를 쉽게 통과하지만 액체 전해질의 분자와 강하게 상호 작용합니다."

기존 과학의 새로운 응용

"특정 분자와 상호작용하는 중성자의 기본 특성을 이용하여 우리는 다음을 사용하고 있습니다.중성자 방사선 촬영플로우 배터리의 분자 농도를 처음으로 관찰한 것입니다." 즉, 기존 과학의 새로운 응용입니다.

"이 기술 자체는 새로운 것이 아닙니다. 예를 들어 역사적 유물이 손상되지 않고 어떤 재료로 만들어졌는지 확인하기 위해 이미 박물관에서 사용하고 있습니다. 하지만 이제는 다음과 같이 움직이는 유체를 시각화하는 데에도 사용할 수 있습니다.산화환원 흐름 배터리."

하지만 Forner-Cuenca와 그의 팀이 사용하는 방법은 여전히 ​​X선 사진보다 훨씬 더 힘들고 스톱모션 애니메이션과 유사합니다.

"배터리 내 액체의 농도가 어떻게 변화하는지 실시간으로 추적하기 위해 우리는 배터리를 통과하는 중성자 수집을 30초마다 지속적으로 촬영합니다. 이러한 사진을 합쳐서 동영상을 제공합니다.배터리 작동 중 농도가 어떻게 변하는지 보여줍니다."

10일 교대로 24시간 측정

이 실험은 PSI의 중성자 소스에서 수행되었습니다.세 명의 박사로 구성된 공동 팀.학생들은 현재 의사를 성공적으로 졸업한 Forner-Cuenca...Remy Jacquemond, Maxime van der Heijden 및 Emre Boz와 함께 실험을 담당했습니다.실험이 강도가 높았기 때문에 팀은 생산성을 극대화하기 위해 약 10일 동안 다양한 교대로 24시간 동안 측정했습니다.

"중성자를 사용할 수 있는 기회를 갖는 것은 특별한 경험입니다. 우리는 평균적으로 2년에 한 번만 그런 장비를 사용할 수 있습니다. PSI(실험이 진행된 스위스의 Paul Scherrer Institute, ed.)는 매년중요도에 따라 순위가 매겨진 국제 실험 대회에서 우리는 네 가지 성공적인 실험을 수행하는 특권을 누렸습니다."

"노력과 전문성 측면에서 이번 프로젝트는 도전적이었고, 세 명의 박사과정 학생이 협력하는 것이 성공의 필수 요소였습니다. 진정한 팀으로 열심히 일하고 협력한 세 동료가 매우 자랑스럽습니다.연구팀은 물론 PSI 및 MIT의 국제 협력자들과 함께 팀으로 일하는 것에 대한 강한 가치를 갖고 있습니다."

개선할 부분이 많다

Forner Cuenca에 따르면 Redox 흐름 배터리의 유체 작용을 시각화하는 것은 여러 가지 이유로 중요합니다."물론 배터리 내부에서 발생하는 프로세스를 이해한다는 것은 더 효율적으로 작동하고 수명이 더 긴 더 나은 성능의 시스템을 개발할 수 있다는 것을 의미합니다.

따라서 태양광이나 풍력 등의 재생에너지를 저장하는 데 주로 사용되기 때문에 에너지 전환에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.Forner Cuenca가 당사 웹사이트의 이전 기사에서 설명한 것처럼 아직 개선할 부분이 많이 있습니다.

그러나 다른 신기술과 마찬가지로 미래에는 다른 가능성도 제공합니다."예를 들어, 화학 반응기는 플라스틱, 화장품, 의약품과 같은 모든 종류의 제품을 만드는 데 사용됩니다. 우리의 방법은 용액 내 유기 분자의 시각화를 가능하게 하기 때문에 다른 산업 응용 분야에서도 우리의 이미징 기술이 도움이 될 것으로 기대합니다."

이러한 새로운 통찰력은 결과적으로 완전히 다른 방법이나 아이디어로 이어질 수 있습니다."저를 가장 흥분시키는 것은 호기심을 불러일으키는 것입니다. 결국 이것이 우리가 이 새로운 방법론을 개발한 방법입니다. 공동 연구와 호기심 중심 아이디어는 과학적 발견의 두 가지 중요한 요소입니다. 푸른 하늘 프로젝트를 포용하는 ERC 보조금의 지원을 받아,우리는 이 방법을 개발할 수 있었고 앞으로 추구할 새로운 아이디어가 많이 있습니다."