I kapplöpningen om att hitta material med allt större tunnhet, ytarea och konduktivitet för att göra batterielektroder med bättre prestanda, en lerklump kanske bara tog ledningen. Materialforskare från Drexel University's College of Engineering uppfann leran, som både är mycket ledande och lätt kan gjutas till en mängd olika former och storlekar. Det representerar en vändning bort från den ganska komplicerade och kostsamma bearbetningen – som för närvarande används för att tillverka material för litiumjonbatterier och superkondensatorer – och mot en som ser ut lite som att kavla ut kakdeg med resultat som är ännu sötare ur energilagringssynpunkt.

Med publiceringen av deras recept på "konduktiv MXene-lera" i 1 december-upplagan av Natur , forskarna föreslår en betydande förändring i hur elektroder för lagringsenheter tillverkas.

Leran, som redan uppvisar ledningsförmåga i nivå med metaller, kan förvandlas till en film – användbar i en elektrod – helt enkelt genom att rulla eller trycka på den.

"Båda lerans fysiska egenskaper, bestående av tvådimensionella titankarbidpartiklar, såväl som dess prestandaegenskaper, verkar göra det till en exceptionellt lönsam kandidat för användning i energilagringsenheter som batterier och superkondensatorer, sa Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University and Trustee Chair professor i College of Engineering, och direktör för A.J. Drexel Nanomaterials Institute, som är medförfattare till tidningen. "Proceduren för att göra leran är också mycket säkrare, lättillgängliga ingredienser än de vi använde för att producera MXene-elektroder tidigare."

Nyckeln till användbarheten av detta material, enligt Michel Barsoum, PhD, Framstående professor vid College of Engineering och en av uppfinnarna av MXenes, är i sin form.

"Som alla som har lekt med lera kan intyga, lera är hydrofil - vattenälskande, " Sa Barsoum. "Lera är också skiktad och när den är återfuktad, vattenmolekylerna glider mellan lagren och gör det plastiskt som i sin tur lätt kan formas till komplexa former. Samma sak händer här; när vi lägger till vatten till MXene, vatten tränger in mellan skikten och ger det resulterande materialet plasticitet och formbarhet. Grafen – ett material som studerats allmänt för användning i elektroder – å andra sidan är ledande men gillar inte vatten – det är hydrofobt. Det vi upptäckte är ett ledande tvådimensionellt lagermaterial som också älskar vatten. Det faktum att vi nu kan rulla våra elektroder snabbt och effektivt, och att inte behöva använda bindemedel och/eller ledande tillsatser gör detta material ganska attraktivt ur massproduktionssynpunkt."

Upptäckten kom till när Michael Ghidiu, en doktorand med råd av Barsoum och Gogotsi vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Drexel, testade en ny metod för att tillverka MXenes – tvådimensionella material som uppfanns på Drexel och som är bland de ledande kandidaterna för användning i nästa generations batterier och superkondensatorer.

Avviker något från den ursprungliga kemiska etsningsprocessen som var pionjär vid Drexel, som använder mycket giftig fluorvätesyra, Ghidiu använde istället ett fluorsalt och saltsyra för att etsa ut aluminium ur en titanbaserad, skiktat keramiskt material som kallas en MAX-fas – även upptäckt på Drexel av Barsoum. Dessa två ingredienser, som är kända namn i kemiklassen och dessutom är mycket säkrare att hantera än fluorvätesyra, reducerade MAX-fasen till en hög med svarta partiklar. För att stoppa reaktionen och ta bort eventuella kvarvarande kemikalier, Ghidiu tvättade materialet i vatten. Men istället för att hitta de välbekanta skiktade MXene-partiklarna, han upptäckte att det etsade sedimentet absorberade vattnet för att bilda ett lerliknande material.

"Vi förväntade oss att hitta ett lite annorlunda material från den nya processen - men inget liknande detta, " sa Ghidiu. "Vi hoppades bara på en säkrare, billigare sätt att göra MXenes, när något ännu bättre landade på bordet."

Ett av de första testerna som teamet utförde på leran var att se om den kunde pressas till ett tunt lager samtidigt som de behöll sina ledande egenskaper – trots allt, dess ursprungliga mål var att göra en ledande film.

"Att kunna rulla lera till en film är en ganska kontrast i produktionstid, säkerhet och kostnad jämfört med de två vanligaste metoderna för tillverkning av elektrodmaterial, " sa Ghidiu. "Både etsnings- och skalningsprocessen som användes för att göra MXenes och en flagning, filtrerings- och avsättningsmetoden – som papperstillverkning – använder starka syror och kostsamma, mindre vanliga material. Lertillverkningsprocessen är mycket enklare, snabbare och säkrare."

Med den nya upptäckten, alla dessa steg undviks, avsevärt förenkla bearbetningen. Nu kan forskarna helt enkelt etsa MAX-fasen, tvätta det resulterande materialet och rulla den resulterande leran till filmer av olika tjocklek.

"Jag skulle säga att den viktigaste fördelen med den nya metoden - förutom dess ökade kapacitans - är att vi nu kan göra en elektrod klar att gå på cirka 15 minuter, Den totala processen innan från samma utgångspunkt skulle vara i storleksordningen en dag, " sa Ghidiu.

Tillgången på dess ingredienser gör också leran ganska tilltalande ur produktionssynpunkt.

"Att kunna göra en ledande lera, huvudsakligen av titankarbid med hjälp av ett vanligt fluorsalt och saltsyra är material som motsvarar att göra en chokladkaka - alla har dessa ingredienser i skafferiet, sa Barsoum.

Men en fråga som återkommer genom de flesta materialforskningar av denna karaktär är, självklart:vad kan den göra med en elektrisk laddning?

Grundlig undersökning av lerans elektrokemiska prestanda, genomförd av Maria Lukatskaya, en doktorand med råd från Gogotsi och Barsoum, som rapporterades i tidningen, indikerade att lerans förmåga att lagra en elektrisk laddning är tre gånger den som rapporterats för MXener producerade genom fluorvätesyraetsning. Det betyder att den kan hitta användningsområden i batterierna som driver mobiltelefoner och startar bilar, eller till och med i en superkondensator som en dag skulle kunna hjälpa förnybara energikällor att passa in i ett regionalt elnät.

"Kom ihåg att detta är den allra första generationen av materialet som vi testar, " sa Lukatskaya. "Vi har inte gjort någonting för att öka dess förmågor, och vid 900 F/cm3 visar den redan en högre kapacitans per volymenhet än de flesta andra material. Vi rapporterar också att den inte förlorar någon av sin kapacitans genom mer än 10, 000 laddnings-/urladdningscykler, så vi pratar om en ganska speciell lerklump här."

Att förändra materialforskarnas medium från film till lera presenterar en mängd nya vägar för forskning och tillverkning. Leran kan formas till vilken form som helst. Det kan också urvattnas till en ledande färg som härdar inom några minuter samtidigt som den behåller sina ledande egenskaper. Detta innebär att den kan ha tillämpningar i batterier, ledande transparenta beläggningar och förstärkning för bland annat kompositer.

En elektronmikroskopisk studie av lerpartiklarna dispergerade i vatten, dirigeras av medförfattaren Mengqiang Zhao, PhD, en postdoktor i Gogotsis grupp, visade att leran består av enstaka lager av MXene ungefär en nanometer – bara några få atomer – tjocka. Denna atomärt tunna struktur indikerar att forskare sannolikt kommer att finna att leran har många attraktiva elektroniska och optiska egenskaper när de fortsätter att lära sig mer om den.

"Vi planerar att fortsätta med vår studie av detta nya material i hopp om att utveckla en verkligt skalbar tillverkningsprocess, förbättra kvaliteten och utbytet av MXene och exfoliera andra MAX-faser för att producera nya MXener, som inte kunde syntetiseras med den tidigare använda processen - möjligheterna verkar oändliga. Även om det kan se ut som bara lite lera, Jag tror att den här upptäckten kommer att omforma forskningen på området framöver, säger Barsoum.