Hemligheten med att göra de bästa energilagringsmaterialen är att odla dem med så stor yta som möjligt. Som att baka, det kräver precis rätt blandning av ingredienser beredda i en specifik mängd och beställning vid precis rätt temperatur för att producera ett tunt materialark med perfekt kemisk konsistens för att vara användbart för att lagra energi. Ett team av forskare från Drexel University, Huazhong University of Science and Technology (HUST) och Tsinghua University upptäckte nyligen ett sätt att förbättra receptet och göra de resulterande materialen större och bättre och suga upp energi – hemligheten? Tillsätt bara salt.
Teamets resultat, som nyligen publicerades i tidskriften Naturkommunikation , visa att användning av saltkristaller som mall för att odla tunna ark av ledande metalloxider gör att materialen blir större och mer kemiskt rena – vilket gör dem bättre lämpade för att samla joner och lagra energi.
"Utmaningen med att producera en metalloxid som når teoretiska prestandavärden är att metoderna för att göra den i sig begränsar dess storlek och ofta försämrar dess kemiska renhet, vilket gör att den inte når den förväntade energilagringsprestanda, sa Jun Zhou, en professor vid HUST:s Wuhan National Laboratory for Optoelectronics och en författare till forskningen. Vår forskning avslöjar ett sätt att odla stabila oxidskivor med mindre nedsmutsning som är i storleksordningen flera hundra gånger större än de som för närvarande tillverkas."
I en energilagringsenhet – ett batteri eller en kondensator, energi finns till exempel i den kemiska överföringen av joner från en elektrolytlösning till tunna lager av ledande material. När dessa enheter utvecklas blir de mindre och kan hålla en elektrisk laddning under längre tid utan att behöva laddas. Anledningen till deras förbättring är att forskare tillverkar material som är bättre utrustade, strukturellt och kemiskt, för insamling och utdelning av joner.
I teorin, de bästa materialen för jobbet bör vara tunna plåtar av metalloxider, eftersom deras kemiska struktur och höga yta gör det lätt för joner att fästa — det är så energilagring sker. Men metalloxidplåtarna som har tillverkats i laboratorier hittills har sjunkit långt ifrån sina teoretiska kapaciteter.
Enligt Zhou, Tang och teamet från HUST, problemet ligger i processen att göra nanoarken – vilket innebär antingen en avsättning från gas eller en kemisk etsning – ofta lämnar spår av kemiska rester som förorenar materialet och hindrar joner från att binda till det. Dessutom, materialen som tillverkas på detta sätt är ofta bara några kvadratmikrometer stora.
Genom att använda saltkristaller som substrat för att odla kristallerna kan de spridas ut och bilda ett större ark av oxidmaterial. Tänk på det som att göra en våffel genom att droppa smeten i en kastrull kontra att hälla den i ett stort våffeljärn; nyckeln till att få en stor, robust produkt får lösningen – vare sig det är smet, eller kemisk förening—för att sprida jämnt över mallen och stabilisera på ett enhetligt sätt.
"Denna syntesmetod, kallad "mall" - där vi använder ett offermaterial som ett substrat för att odla en kristall - används för att skapa en viss form eller struktur, sa Yury Gogotsi, PhD, Universitets- och styrelseordförande professor vid Drexel's College of Engineering och chef för A.J. Drexel Nanomaterials Institute, som var författare till tidningen. "Knepet i det här arbetet är att saltets kristallstruktur måste matcha oxidens kristallstruktur, annars kommer det att bilda en amorf film av oxid snarare än en sak, stark och stabil nanokristall. Detta är nyckelfynden i vår forskning - det betyder att olika salter måste användas för att producera olika oxider."
Forskare har använt en mängd olika kemikalier, föreningar, polymerer och objekt som tillväxtmallar för nanomaterial. Men denna upptäckt visar vikten av att matcha en mall till strukturen på materialet som odlas. Saltkristaller visar sig vara det perfekta substratet för att odla oxidplattor av magnesium, molybden och volfram.
Prekursorlösningen täcker sidorna av saltkristallerna när oxiderna börjar bildas. Efter att de har stelnat, saltet löses i en tvätt, lämnar nanometertunna tvådimensionella ark som bildades på sidorna av saltkristallen - och få spår av eventuella föroreningar som kan hindra deras energilagringsprestanda. Genom att göra oxidnanoark på detta sätt, de enda faktorerna som begränsar deras tillväxt är storleken på saltkristallen och mängden prekursorlösning som används.
"Sidtillväxt av 2D-oxiderna styrdes av saltkristallgeometri och främjades av gittermatchning och tjockleken begränsades av råmaterialtillgången. Saltkristallernas dimensioner är tiotals mikrometer och styr tillväxten av 2D-oxiden till en liknande storlek, " skriver forskarna i tidningen. "På grundval av de naturligt icke-skiktade kristallstrukturerna av dessa oxider, Lämpligheten av salt-assisterad schablon som en allmän metod för syntes av 2D-oxider har påvisats på ett övertygande sätt."
Som förutspått, den större storleken på oxidskivorna motsvarade också en större förmåga att samla in och avge joner från en elektrolytlösning - det ultimata testet för dess potential att användas i energilagringsanordningar. Resultat som rapporterats i tidningen tyder på att användningen av dessa material kan hjälpa till att skapa ett aluminiumjonbatteri som kan lagra mer laddning än de bästa litiumjonbatterierna som finns i bärbara datorer och mobila enheter idag.
Gogotsi, tillsammans med sina studenter vid institutionen för materialvetenskap och teknik, har samarbetat med Huazhong University of Science and Technology sedan 2012 för att utforska en mängd olika material för energilagringstillämpningar. Huvudförfattaren till Naturkommunikation artikel, Xu Xiao, och medförfattare Tiangi Li, båda Zhou doktorander, kom till Drexel som utbytesstudenter för att lära sig om universitetets superkondensatorforskning. Dessa besök startade ett samarbete, som stöddes av Gogotsis årliga resor till HUST. Även om partnerskapet redan har gett fem gemensamma publikationer, Gogotsi spekulerar i att detta arbete bara börjar.
"Det viktigaste resultatet av detta arbete hittills är att vi har visat förmågan att generera högkvalitativa 2D-oxider med olika sammansättningar, ", sa Gogotsi. "Jag kan verkligen se att detta tillvägagångssätt utökas till andra oxider som kan erbjuda attraktiva egenskaper för lagring av elektrisk energi, vattenavsaltningsmembran, fotokatalys och andra tillämpningar."
