Het is geweldig in het lab, maar zal het ook echt werken? Dat is de vraag van een miljoen dollar die voortdurend wordt gesteld aan technische onderzoekers. Voor een familie van gelaagde nanomaterialen, ontwikkeld en gestudeerd aan de Drexel University - en aangekondigd als de toekomst van energieopslag - dat antwoord is nu, Ja.

Al enige tijd, onderzoekers hebben gewerkt aan het gebruik van tweedimensionale materialen, atomair dunne nanomaterialen, als componenten voor sneller opladen, batterijen en supercondensatoren die langer meegaan. Maar het probleem met de bestaande technieken om dit te doen, is dat wanneer de dikte van de materiaallaag wordt vergroot tot ongeveer 100 micron - ongeveer de breedte van een mensenhaar, wat de industriestandaard is voor apparaten voor energieopslag - de materialen verliezen hun functionaliteit.

Recent gepubliceerd onderzoek van Drexel en de Universiteit van Pennsylvania, toont een nieuwe techniek voor het manipuleren van tweedimensionale materialen waarmee ze kunnen worden gevormd tot films met een praktisch bruikbare dikte, met behoud van de eigenschappen waardoor ze uitzonderlijke kandidaten zijn voor gebruik in supercondensatorelektroden.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , richt zich op het gebruik van zachte materialen - vergelijkbaar met die in de lcd-schermen van telefoons en televisies - als een gids voor zelfmontage van MXene-platen. MXenen, zijn een klasse nanomaterialen die in 2011 bij Drexel zijn ontdekt die bijzonder geschikt zijn voor energieopslag.

"Onze methode is gebaseerd op een huwelijk tussen assemblage van zacht materiaal en functionele 2D-nanomaterialen, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach professor aan Drexel's College of Engineering, die co-auteur was van het onderzoek. "De resulterende elektrodefilms vertonen snel ionentransport, uitstekende tariefafhandeling, en ladingsopslag gelijk aan of groter dan commerciële koolstofelektroden."

Een open kanaal

Volgens co-auteur Yu Xia, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker aan Penn's School of Engineering and Applied Science, de uitdaging van het handhaven van de energiedichtheid (hoeveel energie de apparaten kunnen opslaan) en vermogensdichtheid (hoe snel het apparaat kan opladen) van een materiaal dat lading opslaat, ligt in het behouden van duidelijke kanalen voor ionenbeweging terwijl de materialen worden opgeschaald naar grotere formaten.

"Het ionendiffusieprobleem in apparaten voor energieopslag, "Xia zegt, "inclusief batterijen en supercondensatoren, is lang erkend als een van de belangrijkste problemen die de industriële ontwikkeling van nieuwe batterijen en supercondensatoren met een hogere energie- en vermogensdichtheid belemmeren. conventioneel, 2-D materialen zijn bedoeld om op elkaar te stapelen zoals vellen papier in een boek, resulterend in een verlengde ionendiffusielengte, die hun prestaties onderdrukt wanneer de dikte van de elektrode de industriële normen nadert."

De methode van het team vermijdt dit stapelprobleem, die de diffusie van ionen remt, door de MXene-vlokken verticaal in de elektroden te stutten. Op microscopisch niveau, het lijkt misschien op het opstaan ​​van tandenstokers in domme stopverf. Behalve dat ze verticaal uitgelijnd worden, hun oriëntatie kan ook worden aangepast door de basis van zacht materiaal te verplaatsen.

De samensmelting van zachte materie door het team met harde materialen leverde veelbelovende resultaten op voor de toekomst van MXene als materiaal voor energieopslag.

"MXene-elektroden die met deze methode zijn vervaardigd, vertonen een genormaliseerde capaciteit die bijna onafhankelijk is van de dikte tot ten minste 200 micron, wat niet het geval is voor conventioneel geassembleerde elektroden, waar de MXene-vlokken evenwijdig aan het elektrodeoppervlak zouden worden uitgelijnd, " volgens Tyler Mathis, een doctoraatsstudent in Drexel's Department of Materials Science and Engineering en co-auteur van het onderzoek, die alle elektrochemische testen van de materialen heeft uitgevoerd.

Staan en leveren

Terwijl 'zelfassemblage van zachte materie' - het proces waarbij moleculen in een materiaal zichzelf uitlijnen in een oriëntatie die onderzoekers kunnen manipuleren - al sinds de jaren zeventig bestaat, en is nu de drijvende kracht achter televisie, telefoon- en laptopschermen, het combineren met harde materialen is een belangrijke doorbraak.

Hoewel een aantal onderzoeksgroepen in staat is geweest om verticale uitlijning van materialen te ontwikkelen met behulp van een top-down proces, deze routes zijn moeilijk op te schalen voor industriële toepassingen.

"Ons proces is door middel van zelfassemblage, " zei Shu Yang, doctoraat, een professor in de vakgroepen Materials Science and Engineering, en chemische en biomoleculaire engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science en een co-auteur van het onderzoek. "Het is dus veel goedkoper en kan schaalbaar zijn over een groot gebied. het is het concept van het gebruik van zachte materialen met interessante uitlijning en ordening door middel van assemblage om harde materialen uit te lijnen met interessante nanostructuren en functionaliteit dat de grootste doorbraak is."

Om het 2D-materiaal dit proces te laten ondergaan, de onderzoekers gebruikten een oppervlakteactieve stof, die tussen de MXene-lagen kan knijpen om ze te helpen een vloeibare kristalfase te vormen. De onderzoekers pasten er vervolgens een mechanische scheermethode op toe, die de moleculen dwong om de MXene-films verticaal uit te lijnen. De verticale kanalen laten ionen bewegen, of diffuus - wat de sleutel is tot de eigenschappen van MXene - zelfs als het materiaal in dikte wordt opgeschaald.

"Er is veel fundamentele kennis over vloeibare kristallen, " zei Yang. "Mensen denken dat het een oude technologie is, maar we blijven maar herontdekken dat deze kennis eigenlijk heel nuttig is en toepasbaar is op nieuwe functionele materialen."

Volgende in de rij

Hoewel de onderzoekers erkennen dat er nog andere uitdagingen zijn die moeten worden overwonnen voordat de methode kan worden gebruikt in echte apparaten, ze geloven dat hun bevindingen een opwindende sprong voorwaarts in het veld bieden. De langetermijndoelen zijn om de methode toe te passen op supercondensator- en batterijelektroden voor het voeden van mobiele elektronische apparaten, elektrische auto's, en gebruik in technologieën voor het oogsten van hernieuwbare energie.

"Het is een perfect huwelijk tussen zelfassemblage van zachte materie en nanomaterialen, " zegt Xia. "We maken een nieuwe wereld van deze 2D-materialen die kunnen worden gebruikt voor echte industriële toepassingen, overeenkomen met de industriestandaard en proberen er een echt apparaat van te maken. Na meer dan tien jaar werk in 2D-materialen, we hebben een weg gevonden langs een van de grootste barrières voor toepassing en creëren in feite een systeem dat een van de meest plausibele manieren is om deze materialen de industrie in te duwen."