中子成像使研究人员能够看到氧化还原液流电池的内部

Josiah02 · 发表于 2024-9-9 16:47:49

20世纪初，X射线成像的发明为医学带来了一次飞跃。从那时起，我们可以看到人体骨骼的工作原理，并带来了许多新的治疗方法。
现在，使用中子成像的类似方法可以可视化氧化还原液流电池的内部功能——这种电池主要用于太阳能和风能系统的大规模存储。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。
能够看到这些电池的内部为改进它们提供了新的可能性。
由埃因霍温理工大学、麻省理工学院 (MIT) 和瑞士保罗谢尔研究所 (PSI) 组成的国际合作小组由埃因霍温理工大学研究员 Antoni Forner-Cuenca 领导，利用中子成像开发了这种新方法。
这一突破提供了非凡的动态图像，帮助我们了解氧化还原液流电池的内部工作原理。
好奇心驱动的跨学科研究
更重要的是，这些图像为新想法和解决方案提供了灵感和指导。更直接的是，该方法可以帮助氧化还原液流电池的开发，尽管 Forner Cuenca 团队设计的新成像技术也可能有助于其他科学学科的发展。“我们的方法是对不同领域进行实验和借鉴的结果。这是一个令人兴奋的例子，体现了好奇心驱动的跨学科研究的重要性。”
中子射线照相术在题为“用中子射线照相术量化氧化还原液流电池中的浓度分布”的研究中起着至关重要的作用。福纳·昆卡在 2013 年在 PSI 开始的博士培训期间学到了很多关于这种成像技术的知识。然后，在 2017 年，他在麻省理工学院进行博士后研究，在那里他了解了氧化还原液流电池。就在那时，他的脑子里突然灵光一闪。
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系统仍然是一个黑匣子
“液流电池内部有流动的液体，即所谓的电解质。当电池充电或放电时，电流会流过电池。因此，电解质中的离子和氧化还原分子开始向不同方向移动，导致分子浓度发生变化。
“这种运动决定了电池的性能和耐用性，但到目前为止，该系统仍然是一个黑匣子。能够看到工作电池的内部并可视化浓度分布将极大地提高我们对该系统的理解。”
因此，电池工作原理的一个关键因素仍是未知领域，这让福纳·昆卡开始思考。“我们的身体也主要由液体组成，也就是水。X 射线可以穿过水并与骨骼中较重的元素相互作用，这样你就不用切开身体就能看到它们。
“中子的工作方式则相反：它们很容易穿过电池外壳材料，但会与液体电解质中的分子发生强烈相互作用。”
现有科学的新应用
“利用中子与某些分子相互作用的这一基本特性，我们首次使用中子射线照相术来观察液流电池中的分子浓度。”换句话说，这是现有科学的一项新应用。
“这项技术本身并不新鲜；它已经被博物馆使用，例如，在不损坏历史文物的情况下查看它们是由什么制成的。但现在我们还可以用它来可视化流动的流体，就像在氧化还原液流电池中一样。”
不过，福纳-昆卡和他的团队所采用的方法仍然比X射线摄影费力得多，并且与定格动画类似。
“为了实时跟踪电池中液体浓度的变化，我们每 30 秒连续拍摄一次穿过电池的中子集合。我们把这些图片拼凑在一起，给我们提供一个视频，显示电池运行过程中浓度如何变化。”
中子射线照相术示意图，展示了中子成像装置和电池组件。
每天 10 天轮流测量 24 小时
这些实验是在 PSI 的中子源上进行的。与 Forner-Cuenca 一起负责实验的是一个由三名博士生组成的合作团队——Remy Jacquemond、Maxime van der Heijden 和 Emre Boz，他们现在都已顺利毕业。由于实验强度很大，该团队在大约 10 天内分班测量了 24 小时，以最大限度地提高生产率。
“有机会使用中子是一种非凡的经历；我们平均每两年才有机会使用一次这样的设备。PSI（瑞士保罗谢尔研究所，实验就在这里进行）每年都会举办一次按重要性排名的国际实验竞赛。我们很荣幸能够成功进行四次实验。”
“从努力和专业知识的角度来看，这个项目具有挑战性，三名博士生的合作对于项目的成功至关重要。我为这三位同事感到非常自豪，他们努力工作，像一个真正的团队一样合作。这显示了团队合作的巨大价值，无论是在我们的研究团队中，还是与 PSI 和麻省理工学院的国际合作者一起。”
还有很多需要改进的地方
Forner Cuenca 表示，可视化氧化还原液流电池中的流体活动非常重要，原因如下：“当然，了解电池内部发生的过程意味着我们可以开发性能更好的系统，使其工作效率更高，使用寿命更长。
“因此，由于它们主要用于储存来自太阳能和风能的可再生能源，我们希望为能源转型做出贡献。”正如 Forner Cuenca 在我们网站的早期文章中所解释的那样，仍有许多需要改进的地方。
然而，与任何新技术一样，它也为未来提供了其他可能性。“例如，化学反应器用于制造各种产品，如塑料、化妆品和药品。由于我们的方法能够可视化溶液中的有机分子，我们预计其他工业应用也可以从我们的成像技术中受益。”
这些新见解反过来可能会带来完全不同的方法或想法。“这才是最让我兴奋的：激发好奇心。毕竟，这就是我们开发这种新方法的方式。合作研究和好奇心驱动的想法是科学发现的两个关键要素。在 ERC 资助的蓝天项目的支持下，我们能够开发这种方法，未来我们有许多新想法可以追求。”

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