Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har kombinerat avancerad in-situ mikroskopi och teoretiska beräkningar för att avslöja viktiga ledtrådar till egenskaperna hos ett lovande nästa generations energilagringsmaterial för superkondensatorer och batterier.

ORNL:s vätskegränssnittsreaktioner, Forskarteamet Structures and Transport (FIRST), med hjälp av skanningssondsmikroskopi som gjorts tillgänglig genom användarprogrammet Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), har för första gången i nanoskala och i flytande miljö observerat hur joner rör sig och diffunderar mellan skikten i en tvådimensionell elektrod under elektrokemisk cykling. Denna migration är avgörande för att förstå hur energi lagras i materialet, kallas MXene, och vad som driver dess exceptionella energilagringsegenskaper.

"Vi har utvecklat en teknik för flytande miljöer som gör att vi kan spåra hur joner kommer in i mellanskiktsutrymmena. Det finns väldigt lite information om hur detta faktiskt händer, sa Nina Balke, en i ett team av forskare som arbetar med Drexel Universitys Yury Gogotsi i FIRST Center, ett DOE Office of Science Energy Frontier Research Center.

"Energilagringsegenskaperna har karakteriserats i mikroskopisk skala, men ingen vet vad som händer i det aktiva materialet på nanoskala när det gäller joninsättning och hur detta påverkar spänningar och töjningar i materialet, sa Balke.

Det så kallade MXene-materialet – som fungerar som en tvådimensionell elektrod som skulle kunna tillverkas med flexibiliteten hos ett pappersark – är baserat på MAX-fas keramik, som har studerats i decennier. Kemiskt avlägsnande av "A"-skiktet lämnar tvådimensionella flingor sammansatta av övergångsmetallskikt - "M" - som sammanfogar kol- eller kväveskikt ("X") i den resulterande MXene, som fysiskt påminner om grafit.

Dessa MXenes, som har uppvisat mycket hög kapacitans, eller förmåga att lagra elektrisk laddning, har först nyligen utforskats som ett energilagringsmedium för avancerade batterier.

"Interaktionen och laddningsöverföringen av jonen och MXene-skikten är mycket viktig för dess prestanda som energilagringsmedium. Adsorptionsprocesserna driver intressanta fenomen som styr de mekanismer vi observerade genom skanningssondmikroskopi, " sa den första forskaren Jeremy Come.

Forskarna undersökte hur jonerna kommer in i materialet, hur de rör sig en gång inuti materialen och hur de interagerar med det aktiva materialet. Till exempel, om katjoner, som är positivt laddade, införs i det negativt laddade MXene-materialet, de materiella avtalen, blir stelare.

Den observationen lade grunden för den skanningssondmikroskopibaserade karakteriseringen i nanoskala. Forskarna mätte de lokala förändringarna i styvhet när joner kommer in i materialet. Det finns en direkt korrelation med diffusionsmönstret för joner och materialets styvhet.

Kom noterade att jonerna sätts in i elektroden i en lösning.

"Därför, vi måste arbeta i flytande miljö för att driva jonerna i MXene-materialet. Sedan kan vi mäta de mekaniska egenskaperna på plats vid olika stadier av laddningslagring, som ger oss direkt insikt om var jonerna är lagrade, " han sa.

Fram till denna studie hade tekniken inte gjorts i en flytande miljö.

Processerna bakom joninförande och joninteraktionerna i elektrodmaterialet hade varit utom räckhåll på nanoskala fram till CNMS-skanningssondmikroskopgruppens studier. Experimenten understryker behovet av in-situ-analys för att förstå de elastiska förändringarna i nanoskala i 2D-materialet i både torra och våta miljöer och effekten av jonlagring på energilagringsmaterialet över tid.

Forskarnas nästa steg är att förbättra de joniska diffusionsvägarna i materialet och utforska olika material från MXene-familjen. I sista hand, teamet hoppas kunna förstå processens grundläggande mekanism och mekaniska egenskaper, vilket skulle möjliggöra justering av energilagringen samt förbättra materialets prestanda och livslängd.

ORNL:s FÖRSTA forskargrupp tillhandahöll också ytterligare beräkningar och simuleringar baserade på densitetsfunktionsteori som stöder de experimentella fynden. Verket publicerades nyligen i tidskriften Avancerade energimaterial .