Tre olika typiska MXene-elektroder, dvs Nb2 C, Ti2 C och Ti3 C2 , undersöks på deras elektrokemiska beteenden för vattenhaltig K-jonlagring, med pseudokapacitivt dominerade beteenden, snabb kinetik och hållbar cykelstabilitet. Kredit:Nano Research Energy
Superkondensatorer dyker upp som alternativ till litiumjonbatterier, som erbjuder högre effekttätheter och längre livslängder (antal cykler där kapaciteten bibehålls). En superkondensator är som en korsning mellan ett batteri (med hög energilagring) och en vanlig kondensator (med hög effekturladdning).
Ny forskning från City University of Hong Kong publicerad 21 mars i Nano Research Energy visar enastående prestanda hos en kondensator byggd med MXene-föreningar. MXener är tvådimensionella oorganiska föreningar vars stora molekylära ytareor för energilagring ger dem ultrahög konduktivitet och lagringskapacitet.
Superkondensatorer kan lagra massor av energi i ett litet utrymme och släppa ut den vid en hög ström; till exempel kan de leverera ström till minienheter som bärbar elektronik. Men när de tillverkas med organiska molekyler riskerar superkondensatorer att fatta eld.
Den nya studien utforskade superkondensatorer gjorda med oorganiska MXene-molekyler för att minska brandrisken. Istället för det dyrare litiumet använde man kalium. Kaliumjonen eller K-jonen är en av de mest använda elektrolyterna för att tillåta elektrisk ström att flyta i ett batteri. Guojin Liang, huvudförfattare till uppsatsen och forskare från Institutionen för materialvetenskap och teknik säger att de "har undersökt de vattenhaltiga superkondensatorerna genom att använda de inneboende säkra vattenbaserade elektrolyterna och fokuserat på K-jonlagring, vilket är billigare och rikligare i jorden till fördel för säkra och lågkostnadsapplikationer."
MXenes-föreningar består av flera atomer tjocka lager av övergångsmetaller, såsom metallkarbider, nitrider eller karbonitrider. De har de elektriska egenskaperna för effektiv elektrontransport över det ledande metallkarbidskiktet, såväl som en metallyta som är utmärkt för redoxreaktioner (elektronöverföring).
Från de olika MXenes valde denna studie ut tre för jämförelse av prestanda. "Genom att horisontellt jämföra K-jonlagringsprestanda för tre representativa MXene-arter vill vi ta reda på sambandet mellan strukturen och deras K-jonlagringsprestanda", säger huvudförfattaren Xinliang Li, också från Institutionen för materialvetenskap och teknik. .
De tre MXene-elektroderna eller elektriska ledarna—Nb2 C, Ti2 C och Ti3 C2 — undersöktes för deras elektrokemiska beteenden, inklusive kemin av hur K-jonerna infördes i MXene-skikten samt hur joner fäste vid metallytorna. Forskarna utvärderade superkondensatorerna med avseende på lagringsmekanism, kapacitet, hastighetsprestanda och cyklisk prestanda.
K-jonkondensatorn med Nb2 C MXene hade den mest enastående prestandan, med den högsta effekttätheten (mängd urladdad) på 2336 W/kg och en energitäthet (lagrad mängd) på 24,6 Wh/kg. Medan litiumjonbatterier har högre energitätheter än kondensatorer, är deras effekttäthet bara 250-340 W/kg. En K-jonkondensator med MXene kan därför ladda ur effekt i storleksordningar snabbare. Kondensatorn med Nb2 C MXene bibehöll nästan full kapacitet (94,6 %) efter 30 000 cykler med urladdning av 5 ampere/g elektricitet, i motsats till de ungefär 500 cyklerna ett litiumjonbatteri förväntas hålla.
Alla MXene-material uppvisade superkondensatorbeteenden – snabb kinetik och hållbar K-jonlagring – som levererar bättre prestanda än andra K-jonvärdmaterial. Resultaten härrör från den stabila strukturen hos MXene när det blir och ger upp kaliumjoner. Säger Liang, "Det kan tillskrivas det inneboende stora avståndet mellan skikten för transport av K-joner och den enastående strukturella stabiliteten hos MXene, även utsatt för en långvarig kalium-/avsättningsprocess."
Även om endast tre MXene-elektroder undersöktes, kan andra MXene-föreningar ha stor potential att fungera som vattenhaltiga K-jonvärdelektroder. Forskarna hoppas att deras resultat kommer att "dra ytterligare uppmärksamhet till andra lovande MXene-elektroder för hållbar K-jonlagring."
Forskarna planerar att ytterligare experimentera med MXene-elektroder mot förbättrad prestanda för praktiska tillämpningar. "När det gäller K-jonkondensatorn skulle vi vilja modifiera och manipulera MXene-elektroden för högre energitäthet", säger professor Chunyi Zhi. De strävar i slutändan efter att förfina K-jonkondensatorer för bärbar elektronik och andra minikraftenheter, eftersom de är högpresterande, säkra och relativt billiga. + Utforska vidare
