Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben geavanceerde in-situ microscopie en theoretische berekeningen gecombineerd om belangrijke aanwijzingen te vinden voor de eigenschappen van een veelbelovend energieopslagmateriaal van de volgende generatie voor supercondensatoren en batterijen.

ORNL's vloeistofinterfacereacties, Structures and Transport (FIRST) onderzoeksteam, met behulp van scanning probe microscopie beschikbaar gesteld via het gebruikersprogramma Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), hebben voor het eerst op nanoschaal en in een vloeibare omgeving waargenomen hoe ionen bewegen en diffunderen tussen lagen van een tweedimensionale elektrode tijdens elektrochemische cycli. Deze migratie is van cruciaal belang om te begrijpen hoe energie wordt opgeslagen in het materiaal, genaamd MXene, en wat de uitzonderlijke eigenschappen van energieopslag aandrijft.

"We hebben een techniek ontwikkeld voor vloeibare omgevingen waarmee we kunnen volgen hoe ionen de tussenlaagruimten binnenkomen. Er is heel weinig informatie over hoe dit daadwerkelijk gebeurt, zei Nina Balke, een van een team van onderzoekers die werken met Yury Gogotsi van Drexel University in het FIRST Center, een DOE Office of Science Energy Frontier Research Center.

"De energieopslageigenschappen zijn op microscopische schaal gekarakteriseerd, maar niemand weet wat er gebeurt in het actieve materiaal op nanoschaal in termen van ionen-insertie en hoe dit de spanningen en spanningen in het materiaal beïnvloedt, ' zei Balken.

Het zogenaamde MXene-materiaal - dat fungeert als een tweedimensionale elektrode die kan worden vervaardigd met de flexibiliteit van een vel papier - is gebaseerd op MAX-fase keramiek, die al tientallen jaren worden bestudeerd. Chemische verwijdering van de "A" -laag laat tweedimensionale vlokken achter die zijn samengesteld uit overgangsmetaallagen - de "M" -sandwichende koolstof- of stikstoflagen (de "X") in de resulterende MXene, die fysiek lijkt op grafiet.

Deze MXenen, die een zeer hoge capaciteit hebben vertoond, of het vermogen om elektrische lading op te slaan, zijn pas recentelijk onderzocht als een energieopslagmedium voor geavanceerde batterijen.

"De interactie en ladingsoverdracht van de ionen- en de MXene-lagen is erg belangrijk voor zijn prestaties als energieopslagmedium. De adsorptieprocessen sturen interessante fenomenen aan die de mechanismen bepalen die we hebben waargenomen door middel van scanning probe microscopie, " zei EERSTE onderzoeker Jeremy Come.

De onderzoekers onderzochten hoe de ionen het materiaal binnendringen, hoe ze eenmaal in de materialen bewegen en hoe ze omgaan met het actieve materiaal. Bijvoorbeeld, als kationen, die positief geladen zijn, worden geïntroduceerd in het negatief geladen MXene-materiaal, de materiële contracten, stijver worden.

Die observatie legde de basis voor de op scanning probe microscopie gebaseerde karakterisering op nanoschaal. De onderzoekers maten de lokale veranderingen in stijfheid wanneer ionen het materiaal binnendringen. Er is een directe correlatie met het diffusiepatroon van ionen en de stijfheid van het materiaal.

Merk op dat de ionen in een oplossing in de elektrode worden ingebracht.

"Daarom, we moeten in een vloeibare omgeving werken om de ionen in het MXene-materiaal aan te drijven. Dan kunnen we de mechanische eigenschappen in-situ meten in verschillende stadia van ladingsopslag, wat ons direct inzicht geeft waar de ionen zijn opgeslagen, " hij zei.

Tot deze studie was de techniek niet uitgevoerd in een vloeibare omgeving.

De processen achter het inbrengen van ionen en de ionische interacties in het elektrodemateriaal waren op nanoschaal onbereikbaar tot de onderzoeken van de CNMS-scansondemicroscopiegroep. De experimenten onderstrepen de noodzaak van in-situ analyse om de elastische veranderingen op nanoschaal in het 2D-materiaal in zowel droge als natte omgevingen en het effect van ionenopslag op het energieopslagmateriaal in de loop van de tijd te begrijpen.

De volgende stappen van de onderzoekers zijn om de ionische diffusiepaden in het materiaal te verbeteren en verschillende materialen uit de MXene-familie te verkennen. uiteindelijk, het team hoopt het fundamentele mechanisme en de mechanische eigenschappen van het proces te begrijpen, waardoor de energieopslag kan worden afgestemd en de prestaties en levensduur van het materiaal kunnen worden verbeterd.

ORNL's FIRST-onderzoeksteam leverde ook aanvullende berekeningen en simulaties op basis van dichtheidsfunctionaaltheorie die de experimentele bevindingen ondersteunen. Het werk is onlangs gepubliceerd in het Journal Geavanceerde energiematerialen .