Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, Drexel University och deras partners har upptäckt ett sätt att förbättra energitätheten hos lovande energilagringsmaterial, ledande tvådimensionell keramik som kallas MXenes. Resultaten publiceras i Naturenergi .

Dagens batterier, som är beroende av laddning som lagras i huvuddelen av deras elektroder, erbjuda hög energilagringskapacitet, men låga laddningshastigheter begränsar deras tillämpning i hemelektronik och elfordon. Morgondagens energilagringspelare kan vara elektrokemiska kondensatorer, kända som superkondensatorer, som lagrar laddning vid ytan av deras elektrodmaterial för snabb laddning och urladdning. Dock, för närvarande saknar superkondensatorer laddningslagringskapacitet, eller energitäthet, av batterier.

"Energilagringssamhället är konservativt, använder samma få elektrolytlösningsmedel för alla superkondensatorer, sa chefsutredaren Yury Gogotsi, en Drexel University-professor som planerade studien tillsammans med sin postdoktor Xuehang Wang. "Nya elektrodmaterial som MXenes kräver elektrolytlösningsmedel som matchar deras kemi och egenskaper."

Ytorna på olika MXener kan täckas med olika terminalgrupper, inklusive syre, fluor eller hydroxyltyper, som interagerar starkt och specifikt med olika lösningsmedel och lösta salter i elektrolyten. En bra matchning av elektrolytlösningsmedel och elektrod kan då öka laddningshastigheten eller öka lagringskapaciteten.

"Vår studie visade att energitätheten hos superkondensatorer baserade på tvådimensionella MXene-material kan ökas avsevärt genom att välja lämpligt lösningsmedel för elektrolyten, " tillade medförfattaren Lukas Vlcek från University of Tennessee, som bedriver forskning i UT och ORNL:s Joint Institute for Computational Sciences. "Genom att helt enkelt byta lösningsmedel, vi kan fördubbla laddningslagringen."

Arbetet var en del av Fluid Interface Reactions, Structures and Transport (FIRST) Center, ett Energy Frontier Research Center som leds av ORNL och stöds av DOE Office of Science. FÖRSTA forskning utforskar vätske-fasta gränssnittsreaktioner med konsekvenser för energitransport i vardagliga tillämpningar.

Drexels Ke Li syntetiserade titankarbiden MXene från en förälder "MAX" keramik - innehållande titan (betecknad med "M"), aluminium ("A") och kol ("X") - genom att etsa ut aluminiumskikten för att bilda femskiktiga MXene-monoskikt av titankarbid.

Senare, forskarna blötlade MXenerna i litiumbaserade elektrolyter i olika lösningsmedel med dramatiskt olika molekylära strukturer och egenskaper. Den elektriska laddningen bars av litiumjoner som lätt förs in mellan MXene-skikt.

Transmissionselektronmikroskopi avslöjade materialens strukturella integritet före och efter elektrokemiska experiment, medan röntgenfotoelektronspektroskopi och Ramanspektroskopi karakteriserade MXenes sammansättning och de kemiska interaktionerna mellan MXene-ytan och elektrolytlösningsmedlet.

Elektrokemiska mätningar visade att den maximala kapacitansen (mängden lagrad energi) uppnåddes med en mindre ledande elektrolyt. Denna observation var ovanlig och kontraintuitiv eftersom man skulle förvänta sig en vanlig acetonitrillösningsmedelsbaserad elektrolyt, har den högsta ledningsförmågan av alla testade elektrolyter, att leverera bästa prestanda. In situ röntgendiffraktion visade expansion och sammandragning av MXene-mellanskiktsavståndet under laddning och urladdning när acetonitril användes, men inga förändringar i avståndet mellan skikten när propylenkarbonatlösningsmedlet användes. Det senare lösningsmedlet resulterade i mycket högre kapacitans. Vidare, elektroder som inte expanderar när joner kommer in och ut förväntas överleva ett större antal laddnings-urladdningscykler.

För att undersöka dynamiken hos elektrolytlösningsmedelsmedia inneslutna i MXene-skikten, forskarna vände sig till neutronspridning, som är känsligt för väteatomer som finns i lösningsmedelsmolekylerna.

Till sist, molekylära dynamiksimuleringar gjorda av Vlcek avslöjade att interaktioner mellan litiumjoner, elektrolytlösningsmedel och MXene-ytor beror starkt på storleken, molekylär form och polaritet hos lösningsmedelsmolekylerna. När det gäller en propylenkarbonatbaserad elektrolyt, litiumjonerna är inte omgivna av lösningsmedel och packas därför tätt mellan MXene-ark. Dock, i andra elektrolyter, litiumjoner bär lösningsmedelsmolekyler tillsammans med dem när litiumjonerna migrerar in i elektroden, leder till dess expansion vid laddning. Modellering kan styra valet av framtida elektrod-elektrolytlösningsmedelspar.

"Olika lösningsmedel skapade olika begränsade miljöer som sedan hade stor inverkan på laddningstransport och interaktioner mellan joner och MXene-elektroderna, "Vlcek sa. "Denna variation av strukturer och beteenden möjliggjordes av den skiktade strukturen av MXene-elektroder, som kan svara på laddning genom att enkelt expandera och dra ihop mellanskiktsutrymmet för att rymma ett mycket bredare utbud av lösningsmedel än elektroder med styvare ramverk."

Titeln på uppsatsen är "Influenser från lösningsmedel på laddningslagring i titankarbid-MXener."