Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, Drexel University en hun partners hebben een manier ontdekt om de energiedichtheid van veelbelovende materialen voor energieopslag te verbeteren, geleidende tweedimensionale keramiek genaamd MXenes. De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuur Energie .

De batterijen van vandaag, die afhankelijk zijn van lading die is opgeslagen in het grootste deel van hun elektroden, bieden een hoge energieopslagcapaciteit, maar lage laadsnelheden beperken hun toepassing in consumentenelektronica en elektrische voertuigen. De pijlers van de energieopslag van morgen kunnen elektrochemische condensatoren zijn, bekend als supercondensatoren, die lading opslaan aan het oppervlak van hun elektrodemateriaal voor snel opladen en ontladen. Echter, op dit moment missen supercondensatoren de capaciteit om lading op te slaan, of energiedichtheid, van batterijen.

"De energieopslaggemeenschap is conservatief, met dezelfde weinige elektrolytoplosmiddelen voor alle supercondensatoren, " zei hoofdonderzoeker Yury Gogotsi, een professor aan de Drexel-universiteit die de studie plande met zijn postdoctoraal onderzoeker Xuehang Wang. "Nieuwe elektrodematerialen zoals MXenen vereisen elektrolytoplosmiddelen die overeenkomen met hun chemie en eigenschappen."

De oppervlakken van verschillende MXenen kunnen worden bedekt met diverse terminalgroepen, inclusief zuurstof, fluor- of hydroxylsoorten, die sterk en specifiek interageren met verschillende oplosmiddelen en opgeloste zouten in de elektrolyt. Een goede combinatie van elektrolyt, oplosmiddel en elektrode kan dan de laadsnelheid verhogen of de opslagcapaciteit vergroten.

"Onze studie toonde aan dat de energiedichtheid van supercondensatoren op basis van tweedimensionale MXene-materialen aanzienlijk kan worden verhoogd door het juiste oplosmiddel voor de elektrolyt te kiezen, " voegde co-auteur Lukas Vlcek van de Universiteit van Tennessee toe, die onderzoek doet in het Joint Institute for Computational Sciences van de UT en ORNL. "Door simpelweg het oplosmiddel te veranderen, we kunnen de ladingopslag verdubbelen."

Het werk maakte deel uit van de Fluid Interface Reactions, Structuren en Transport (EERSTE) Centrum, een Energy Frontier Research Center geleid door ORNL en ondersteund door het DOE Office of Science. EERSTE onderzoek onderzoekt vloeistof-vaste grensvlakreacties met gevolgen voor energietransport in alledaagse toepassingen.

Drexel's Ke Li synthetiseerde het titaniumcarbide MXene van een ouder "MAX" keramiek-bevattend titanium (aangeduid met "M"), aluminium ("A") en koolstof ("X") - door de aluminiumlagen uit te etsen om vijflaagse MXene-monolagen van titaniumcarbide te vormen.

Vervolgens, de onderzoekers drenkten de MXenen in op lithium gebaseerde elektrolyten in verschillende oplosmiddelen met dramatisch verschillende moleculaire structuren en eigenschappen. De elektrische lading werd gedragen door lithiumionen die zich gemakkelijk tussen MXene-lagen invoegen.

Transmissie-elektronenmicroscopie onthulde de structurele integriteit van de materialen voor en na elektrochemische experimenten, terwijl röntgenfoto-elektronenspectroscopie en Raman-spectroscopie de samenstelling van MXene en de chemische interacties tussen het MXene-oppervlak en het elektrolytoplosmiddel karakteriseerden.

Elektrochemische metingen toonden aan dat de maximale capaciteit (hoeveelheid opgeslagen energie) werd bereikt met een minder geleidend elektrolyt. Deze waarneming was ongebruikelijk en contra-intuïtief omdat men zou verwachten dat een veelgebruikte elektrolyt op basis van acetonitril, met de hoogste geleidbaarheid van alle geteste elektrolyten, om de beste prestaties te leveren. In situ röntgendiffractie toonde uitzetting en samentrekking van de MXene-tussenlaagafstand tijdens laden en ontladen wanneer acetonitril werd gebruikt, maar geen veranderingen in de tussenlaagafstand wanneer het propyleencarbonaatoplosmiddel werd gebruikt. Het laatste oplosmiddel resulteerde in een veel hogere capaciteit. Verder, elektroden die niet uitzetten wanneer ionen binnenkomen en uitgaan, zullen naar verwachting een groter aantal laad-ontlaadcycli overleven.

Om de dynamiek van elektrolyt-oplosmiddelmedia opgesloten in de MXene-lagen te onderzoeken, de onderzoekers wendden zich tot neutronenverstrooiing, die gevoelig is voor waterstofatomen in de oplosmiddelmoleculen.

Eindelijk, moleculaire dynamica-simulaties uitgevoerd door Vlcek onthulden dat interacties tussen de lithiumionen, elektrolytoplosmiddelen en MXene-oppervlakken zijn sterk afhankelijk van de grootte, moleculaire vorm en polariteit van de oplosmiddelmoleculen. In het geval van een op propyleencarbonaat gebaseerde elektrolyt, de lithiumionen zijn niet omgeven door oplosmiddel en zitten daarom stevig vast tussen MXene-vellen. Echter, in andere elektrolyten, lithiumionen dragen oplosmiddelmoleculen met zich mee terwijl de lithiumionen naar de elektrode migreren, wat leidt tot zijn expansie bij het opladen. Modellering kan de selectie van toekomstige elektrode-elektrolyt-oplosmiddelparen leiden.

"Verschillende oplosmiddelen creëerden verschillende besloten omgevingen die vervolgens een grote invloed hadden op het ladingstransport en de interacties van ionen met de MXene-elektroden, Vlcek zei. "Deze verscheidenheid aan structuren en gedragingen werd mogelijk gemaakt door de gelaagde structuur van MXene-elektroden, die kan reageren op opladen door de ruimte tussen de lagen gemakkelijk uit te breiden en in te krimpen om plaats te bieden aan een veel breder scala aan oplosmiddelen dan elektroden met stijvere kaders."

De titel van het artikel is "Invloeden van oplosmiddelen bij opslag van lading in titaniumcarbide MXenen."