麻省理工学院用中子在驱动器中,以改善超级电容器中的储能

中子MOF材料超级电容器

在橡树岭国家实验室,麻省理工学院的研究人员用中子研究了一种MOF材料,这种材料可能有一天会成为耐用超级电容器,并有可能为汽车提供动力。信贷:ORNL /吉尔Hemman

电池含有与电容器相比以相对缓慢的速率存储和释放电能的化学品,这些电容器通常用于需要快速传送电力的应用。

电容器通过使用电场可以快速充电和释放能量,以在负极和正板上存储电荷。通过电解质,传导离子的固体或液体材料分开板。向电容器施加正或负电势使离子在一个方向上流动或另一个方向流动。

新型的电容器,被称为超级电容器,由先进的复合材料和纳米材料制成,提供更高的能量存储能力和更大的功率,具有几乎无限的循环寿命。然而,更高的能量密度需要超级电容器,使其有一天成为大功率应用的唯一电源,如电动汽车。

来自麻省理工学院的科学家们在美国能源部的橡树岭国家实验室(ORNL)进行了中子研究,研究一种新型的高多孔纳米材料,这种材料可以作为耐用的高能超级电容器。研究结果发表在Angewandte Chemie国际版

麻省理工学院最近开发了一种有机框架材料,具有良好的导电性和能源存储容量,“莫说Dincă,w . m .凯克麻省理工学院能源部门的化学教授。yabovip2021“如果我们能更好地理解财政部是如何如此快速地储存和释放这么多电能的,我们或许可以把它变成一种坚固的超级电容器材料。”

开发下一代电极材料需要深入了解其能量存储机制。MOF是由金属离子和有机分子组成的晶体材料,它们具有微孔,这使得它们为研究充电和放电机制而成为良好的模型。

为了研究离子在麻省理工学院多孔、导电的MOF中的吸附机理,该团队用这种材料制作了电极,并将其浸泡在含有三氟化钠电解质的溶剂中。当研究人员打开或关闭电压,将其转换为负极或正极,然后再转换回来时,这就使正电荷和负电荷离子能够自由流动。

Using small-angle neutron scattering experiments at ORNL’s High Flux Isotope Reactor (HFIR), the researchers discovered that when the applied voltage is zero, the sodium ions in the electrolyte form a thin layer on the MOF’s rod-like building blocks while the solvent molecules penetrate into the pores. Applying positive or negative voltage causes the sodium ions or triflate ions, respectively, to also enter the pores. Subsequently reversing the polarity causes the ions inside the pores to switch positions with those outside.

中子数据表明,微孔中的电荷储存机制强烈地依赖于电极极化。这些发现为纳米材料中的电荷存储机制提供了新的见解。

“MOFs通常有很高的孔隙率,但很差的导电性,这限制了它们在高功率应用中的应用,”奥诺尔国家实验室的中子散射科学家何利林说。“这种导电MOF是一种高度多孔的纳米材料,当你考虑到内部所有的孔隙、缝隙和表面时,它具有非常大的总体表面积。

他补充说:“与电导率同等重要的是,即使循环10000次,MOF的电容损耗仅为10%,内部电阻也没有增加,这可能表明未来商业应用具有良好的耐久性。”

中子散射是观察MOFs内部离子活动的理想工具,因为中子可以深入到几乎任何物质中。它们对轻元素的存在也很敏感,比如研究人员添加到电解质中的氘(氢的一种同位素)。电解质中的氘氢提供了对比,帮助观察离子的位置——甚至在MOF的数百万孔中。

科学家们下次计划生产MOF材料的变化,并再次使用中子来研究它们的能量能力,并确定它们是否更有效,更快,以及它们在更高电压下进行的更快。

参考文献:“用Operando小角度中子散射的金属 - 有机框架微孔中的离子电吸收的观察”由Lilin博士,l l杨,m zh教授,Rui Zhang博士和Jianlin Li,3月11日2020年3月11日,MirceaDincë。Angewandte Chemie国际版
DOI: 10.1002 / anie.201916201

由OSNL的Doe Scient办公室提供对中子研究的支持。

HFIR是一个科学用户设施的DOE办事处。ORNL由UT-BATTELLE LLC管理为DOE SCILOTS办公室,是美国物理科学基础研究的单一最大支持者。Doe的科学办公室正在努力解决我们时代最紧迫的挑战。

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