Højre elektrolyt fordobler nye todimensionelle materialers evne til at lagre energi

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, Drexel University og deres partnere har opdaget en måde at forbedre energitætheden af ​​lovende energilagringsmaterialer, ledende todimensional keramik kaldet MXenes. Resultaterne er offentliggjort i Naturenergi .

Dagens batterier, som er afhængige af ladning lagret i hovedparten af ​​deres elektroder, tilbyder høj energilagringskapacitet, men langsomme opladningshastigheder begrænser deres anvendelse i forbrugerelektronik og elektriske køretøjer. Morgendagens energilagringselementer kan være elektrokemiske kondensatorer, kendt som superkondensatorer, som opbevarer ladning ved overfladen af ​​deres elektrodemateriale til hurtig op- og afladning. Imidlertid, på nuværende tidspunkt mangler superkondensatorer ladekapaciteten, eller energitæthed, af batterier.

"Energilagringssamfundet er konservativt, bruger de samme få elektrolytopløsningsmidler til alle superkondensatorer, " sagde hovedefterforsker Yury Gogotsi, en Drexel University-professor, der planlagde undersøgelsen sammen med sin postdoktorale forsker Xuehang Wang. "Nye elektrodematerialer som MXenes kræver elektrolytopløsningsmidler, der matcher deres kemi og egenskaber."

Overfladerne på forskellige MXener kan dækkes med forskellige terminalgrupper, inklusive ilt, fluor eller hydroxyl arter, som interagerer stærkt og specifikt med forskellige opløsningsmidler og opløste salte i elektrolytten. Et godt elektrolyt-opløsningsmiddel-elektrode-match kan så øge opladningshastigheden eller øge lagerkapaciteten.

"Vores undersøgelse viste, at energitætheden af ​​superkondensatorer baseret på todimensionelle MXene-materialer kan øges betydeligt ved at vælge det passende opløsningsmiddel til elektrolytten, " tilføjede medforfatter Lukas Vlcek fra University of Tennessee, der forsker i UT og ORNL's Joint Institute for Computational Sciences. "Ved blot at skifte opløsningsmidlet, vi kan fordoble opladningslageret."

Arbejdet var en del af Fluid Interface Reactions, Strukturer og Transport (FIRST) Center, et Energy Frontier Research Center ledet af ORNL og støttet af DOE Office of Science. FØRSTE forskning udforsker væske-faste grænsefladereaktioner med konsekvenser for energitransport i hverdagsapplikationer.

Drexels Ke Li syntetiserede titaniumcarbidet MXene fra en "MAX" keramik, der indeholder titanium (benævnt "M"), aluminium ("A") og carbon ("X") - ved at udætse aluminiumslagene for at danne femlags MXene-monolag af titaniumcarbid.

Efterfølgende forskerne gennemblødte MXenerne i lithiumbaserede elektrolytter i forskellige opløsningsmidler med dramatisk forskellige molekylære strukturer og egenskaber. Den elektriske ladning blev båret af lithium-ioner, der nemt indsætter sig selv mellem MXene-lag.

Transmissionselektronmikroskopi afslørede materialernes strukturelle integritet før og efter elektrokemiske eksperimenter, hvorimod røntgenfotoelektronspektroskopi og Ramanspektroskopi karakteriserede MXene's sammensætning og de kemiske interaktioner mellem MXene-overfladen og elektrolytopløsningsmidlet.

Elektrokemiske målinger viste, at den maksimale kapacitans (mængden af ​​lagret energi) blev opnået ved brug af en mindre ledende elektrolyt. Denne observation var usædvanlig og kontraintuitiv, fordi man ville forvente en almindeligt anvendt acetonitril-opløsningsmiddelbaseret elektrolyt, har den højeste ledningsevne af alle testede elektrolytter, at levere den bedste ydeevne. In situ røntgendiffraktion viste udvidelse og sammentrækning af MXene-mellemlagets afstand under opladning og afladning, når acetonitril blev brugt, men ingen ændringer i mellemlagsafstanden, når propylencarbonatopløsningsmidlet blev anvendt. Sidstnævnte opløsningsmiddel resulterede i meget højere kapacitans. Desuden, elektroder, der ikke udvider sig, når ioner kommer ind og ud, forventes at overleve et større antal ladnings-afladningscyklusser.

For at undersøge dynamikken i elektrolytopløsningsmedier indespærret i MXene-lagene, forskerne vendte sig mod neutronspredning, som er følsom over for brintatomer indeholdt i opløsningsmiddelmolekylerne.

Endelig, molekylær dynamik-simuleringer udført af Vlcek afslørede, at interaktioner mellem lithium-ioner, elektrolytopløsningsmidler og MXene-overflader afhænger stærkt af størrelsen, molekylær form og polaritet af opløsningsmiddelmolekylerne. I tilfælde af en propylencarbonat-baseret elektrolyt, lithium-ionerne er ikke omgivet af opløsningsmiddel og pakker derfor tæt mellem MXene-plader. Imidlertid, i andre elektrolytter, lithiumioner bærer opløsningsmiddelmolekyler sammen med dem, når lithiumionerne migrerer ind i elektroden, fører til dens udvidelse ved opladning. Modellering kan guide valget af fremtidige elektrode-elektrolyt opløsningsmiddelpar.

"Forskellige opløsningsmidler skabte forskellige afgrænsede miljøer, som derefter havde stor indflydelse på ladningstransport og interaktioner af ioner med MXene-elektroderne, "Vlcek sagde. "Denne række af strukturer og adfærd blev muliggjort af den lagdelte struktur af MXene elektroder, som kan reagere på opladning ved let at udvide og sammentrække mellemlagsrummet for at rumme et meget bredere udvalg af opløsningsmidler end elektroder med mere stive rammer."

Titlen på papiret er "Influences from solvents on charge storage in titanium carbide MXenes."