解锁超薄储能材料,以实现更快的充电,更长持久的电池

更高效的储能材料

带电离子,以绿色表示,进入超薄层的储能材料层,显示为蓝色和棕色点,但难以定位。跟踪离子的整体方法产生了对改进的能量存储装置的知识。信用:Nina Balke / Ornl,美国部门的能量

由能源橡树岭国家实验室领导的团队开发了一种新颖的综合方法,可以在超薄材料中跟踪能量运输离子,这可能会解锁其能量存储潜力,这导致更快的充电,更持久的设备。

十年来,科学家们一直在研究一种新兴的二维材料的能量储存可能性——这种材料的层结构只有几个原子那么厚——叫做MXenes,读作“max-eens”。

来自实验数据的计算建模的ORNL-LED团队集成了理论数据,以确定碳化钛的各种带电离子的潜在位置,是最多研究的偏执相。通过这种整体方法,他们可以跟踪和分析来自单一的离子的运动和行为 -原子到设备规模。

“通过比较所有我们使用的方法,我们能够形成理论之间的联系和不同类型的材料特性,从非常简单到非常复杂的大范围的长度和时间尺度,“尼娜Balke说ORNL的合著者发表在流体界面反应进行了研究,结构和运输,或者首先,中心。首先是能源部资助的位于奥诺尔的能源前沿研究中心。

她补充说:“我们把所有这些联系在一起,以了解离子存储在多层MXene电极中的工作原理。”研究结果使研究小组能够预测这种材料的电容,或其储存能量的能力。“最终,经过多次讨论,我们能够将所有这些技术统一到一个连贯的画面中,这真的很酷。”

层状材料可以增强能量的储存和能量的传递,因为层间的空隙允许带电粒子(或离子)自由而快速地移动。然而,离子可能很难检测和表征,特别是在一个有限的环境与多个过程发挥作用。更好地理解这些过程可以提高锂离子电池和超级电容器的能量存储潜力。

作为第一中心项目,该团队专注于超级电容器的开发 - 用于短期,高功率的能源需求充电的设备。相比之下,锂离子电池具有更高的能量容量并提供电力较长,但放电速率,因此它们的功率水平较低。

Balke说,MXenes有潜力将这两个概念的优点结合起来,这是拥有更大、更高效能量存储容量的快速充电设备的首要目标。这将有利于从电子产品到电动汽车电池的一系列应用。

使用计算建模,该团队模拟了在水溶液中限制的层内的五种不同带电离子的条件,或“水壳”。理论模型简单,但与实验数据相结合,它创建了一种基线,提供了据称MxEne层内的离子的证据以及它们在复杂环境中的表现方式。

“在模拟限制,不同离子的不同行为中,我们可以看到一个令人惊讶的结果,”Ornl理论家和共同作者保罗肯特说。

该团队希望他们的综合方法可以指导科学家们未来对MXene的研究。“我们开发的是一种联合模式。如果我们从使用某种MXene的实验中获得一些数据,如果我们知道一个离子的电容,我们就可以预测其他离子的电容,这是我们以前无法做到的。”Kent说。

“最终,我们将能够将这些行为追溯到更现实的,可观察的材料属性的变化,”他补充道。

纸张,标题为“跟踪离子插入到分层TI3.C2MXene跨长度尺度的薄膜”,由高强(前ORNL)合著;美国范德比尔特大学的孙伟伟(音译),曾在美国国立国立大学任教;ORNL的Arthur P. badorf, Nina Balke, Jingsong Huang, Stephen Jesse, Paul Kent and wan yu Tsai;乔治亚州立大学的Nadine Kabengi和Poorandokht Ilani-Kashkouli;葡萄牙阿威罗大学的Alexander Tselev;杜兰大学的Michael Naguib;德雷克塞尔大学的尤里·戈戈斯。

参考:“跟踪离子插入分层TI3.C2MXene films across length scales” by Qiang Gao, Weiwei Sun, Poorandokht Ilani-Kashkouli, Alexander Tselev, Paul R. C. Kent, Nadine Kabengi, Michael Naguib, Mohamed Alhabeb, Wan-Yu Tsai, Arthur P. Baddorf, Jingsong Huang, Stephen Jesse, Yury Gogotsig and Nina Balke, 8 July 2020,能源与环境科学
DOI:10.1039 / D0EE01580F

这项研究由能源部科学办公室(尽管是第一个EFRC)赞助,并利用了ORNL的纳米材料科学中心和劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心的资源,这两个实验室都是科学办公室的用户设施。

UT-Battelle为美国能源部科学办公室管理ORNL。作为美国物理科学基础研究最大的单一支持者,科学办公室正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。

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