Det är jättebra i labbet, men kommer det verkligen att fungera? Det är den miljonfråga som ständigt ställs mot ingenjörsforskare. För en familj av skiktade nanomaterial, utvecklat och studerat vid Drexel University – och utlyst som framtiden för energilagring – det svaret är nu, ja.

För en tid, forskare har arbetat med att använda tvådimensionella material, atomärt tunna nanomaterial, som komponenter för snabbare laddning, batterier och superkondensatorer som håller längre. Men problemet med de befintliga teknikerna för att göra det är att när tjockleken på materialskiktet ökas till cirka 100 mikron - ungefär bredden på ett människohår, som är industristandarden för energilagringsenheter – materialen förlorar sin funktionalitet.

Nyligen publicerad forskning från Drexel och University of Pennsylvania, visar en ny teknik för att manipulera tvådimensionella material som gör att de kan formas till filmer med praktiskt taget användbar tjocklek, samtidigt som de behåller egenskaperna som gör dem exceptionella kandidater för användning i superkondensatorelektroder.

Studien, publiceras i tidskriften Natur , fokuserar på att använda mjuka material-liknande dem i flytande kristallskärmar på telefoner och tv-som en guide för självmontering av MXene-ark. MXenes, är en klass av nanomaterial som upptäcktes vid Drexel 2011, som är särskilt väl lämpade för energilagring.

"Vår metod bygger på ett äktenskap mellan sammansättning av mjukt material och funktionella 2-D nanomaterial, "sa Yury Gogotsi, Ph.D., Framstående universitet och Bachprofessor vid Drexels tekniska högskola, som var medförfattare till forskningen. "De resulterande elektrodfilmerna visar snabb jontransport, enastående prishantering, och laddningslagring lika med eller överstiger kommersiella kolelektroder."

En öppen kanal

Enligt medförfattaren Yu Xia, Ph.D., en postdoktor vid Penn's School of Engineering and Applied Science, utmaningen med att upprätthålla energitätheten (hur mycket energi enheterna kan lagra) och effekttätheten (hur snabbt enheten kan laddas) för ett laddningslagrande material ligger i att upprätthålla tydliga kanaler för jonrörelse när materialen skalas upp till större storlekar.

"Jondiiffusionsproblemet i energilagringsenheter, " Xia säger, "inklusive batterier och superkondensatorer, har länge erkänts som en av de stora frågorna som hindrar den industriella utvecklingen av nya batterier och superkondensatorer med högre energi- och effekttäthet. Konventionellt, 2D-material har för avsikt att staplas ovanpå varandra som pappersark i en bok, vilket resulterar i en förlängd jondiiffusionslängd, som undertrycker deras prestanda när tjockleken på elektroden närmar sig industriella standarder."

Teamets metod undviker detta staplingsproblem, som hämmar jondiiffusion, genom att stötta MXene-flingorna i elektroderna vertikalt. På mikroskopisk nivå, det kan se ut som att stå upp tandpetare i fånigt spackel. Förutom att få dem att justera vertikalt, deras orientering kan också justeras genom att flytta den mjuka materialbasen.

Teamets sammansmältning av sammansättning av mjuk materia med hårda material gav lovande resultat för MXenes framtid som energilagringsmaterial.

"MXene-elektroder framställda med denna metod visar normaliserad kapacitans som är nästan oberoende av tjocklek upp till minst 200 mikron, vilket inte är fallet för konventionellt monterade elektroder, där MXene-flingorna skulle vara inriktade parallellt med elektrodytan, " enligt Tyler Mathis, en doktorand vid Drexels institution för materialvetenskap och teknik och medförfattare till forskningen, som utförde all elektrokemisk testning av materialen.

Stå och leverera

Medan "självsammansättning av mjuk materia" - processen genom vilken molekyler inuti ett material anpassar sig i en orientering som forskare kan manipulera - har funnits sedan 1970-talet, och är nu drivkraften bakom tv, telefon- och bärbara skärmar, att kombinera det med hårda material är ett betydande genombrott.

Även om ett par forskargrupper har kunnat konstruera vertikal inriktning av material med hjälp av en top-down-process, dessa rutter är svåra att skala upp för industriella tillämpningar.

"Vår process är genom självmontering, sa Shu Yang, Ph.D., professor vid institutionerna för materialvetenskap och teknik, och Chemical and Biomolecular Engineering vid Penns School of Engineering and Applied Science och en medförfattare till forskningen. "Så det är mycket billigare och kan skalas över ett stort område. I slutändan, Det är konceptet med att använda mjuka material med intressant inriktning och ordning genom montering för att anpassa hårda material med intressanta nanostrukturer och funktionalitet som är det största genombrottet."

För att få 2D-materialet att genomgå denna process, forskarna använde ett ytaktivt medel, som kan klämma mellan MXene-skikten för att hjälpa dem att bilda en flytande kristallfas. Forskarna använde sedan en mekanisk klippningsmetod på det, vilket tvingade molekylerna att rikta in MXene-filmerna vertikalt. De vertikala kanalerna tillåter joner att röra sig, eller diffust – vilket är nyckeln till MXenes egenskaper – även när materialet skalas upp i tjocklek.

"Det finns mycket grundläggande kunskap i flytande kristaller, "Yang sa. "Folk tror att det är en gammal teknik, men vi fortsätter bara att återupptäcka att denna kunskap faktiskt är mycket användbar och tillämpbar på nya funktionella material."

Nästa på tur

Även om forskarna erkänner att det finns andra utmaningar att övervinna innan metoden kan användas i verkliga enheter, de tror att deras resultat ger ett spännande steg framåt på området. De långsiktiga målen är att tillämpa metoden på superkondensator- och batterielektroder för att driva mobila elektroniska enheter, elbilar, och användning i skördsteknik för förnybar energi.

"Det är ett perfekt äktenskap mellan självmontering av mjuk materia och nanomaterial, " säger Xia. "Vi skapar en ny värld av dessa 2D-material som kan användas för riktiga industritillämpningar, matchar branschstandarden och försöker göra en riktig enhet av den. Efter mer än ett decennium av arbete i 2-D-material, vi har hittat en väg förbi ett av de största hindren för tillämpning och skapar faktiskt ett system som är ett av de mest rimliga sätten att driva in dessa material i industrin."