At forme fremtiden for energilagring med ledende ler

I kapløbet om at finde materialer af stadigt stigende tyndhed, overfladeareal og ledningsevne for at lave bedre ydende batterielektroder, en klump ler kunne lige have taget føringen. Materialeforskere fra Drexel University's College of Engineering opfandt leret, som både er meget ledende og nemt kan støbes i en række forskellige former og størrelser. Det repræsenterer en drejning væk fra den ret komplicerede og dyre forarbejdning - der i øjeblikket bruges til at lave materialer til lithium-ion-batterier og superkondensatorer - og hen imod en, der ligner lidt at rulle småkagedej ud med resultater, der er endnu sødere fra et energilagringssynspunkt.

Med offentliggørelsen af ​​deres opskrift på "conductive MXene clay" i 1. december-udgaven af Natur , forskerne foreslår et markant skift i den måde, elektroder til lagerenheder fremstilles på.

Leret, som allerede udviser ledningsevne på niveau med metallers, kan forvandles til en film - anvendelig i en elektrode - blot ved at rulle eller trykke på den.

"Både lerets fysiske egenskaber, bestående af todimensionelle titaniumcarbidpartikler, samt dens ydeevneegenskaber, synes at gøre det til en usædvanlig levedygtig kandidat til brug i energilagringsenheder som batterier og superkondensatorer, " sagde Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University and Trustee Chair professor i College of Engineering, og direktør for A.J. Drexel Nanomaterials Institute, som er medforfatter til papiret. "Proceduren til at lave leret bruger også meget sikrere, let tilgængelige ingredienser end dem, vi brugte til at producere MXene-elektroder i fortiden."

Nøglen til anvendeligheden af ​​dette materiale, ifølge Michel Barsoum, PhD, Fremragende professor i College of Engineering og en af ​​opfinderne af MXenes, er i sin form.

"Som enhver, der har leget med mudder, kan bevidne, ler er hydrofilt -vandelskende, " sagde Barsoum. "Ler er også lagdelt, og når det er hydreret, vandmolekylerne glider mellem lagene og gør det plastisk, der igen let kan formes til komplekse former. Det samme sker her; når vi tilføjer vand til MXene, vand trænger ind mellem lagene og giver det resulterende materiale plasticitet og formbarhed. Grafen - et materiale, der er meget undersøgt til brug i elektroder - på den anden side, er ledende, men kan ikke lide vand - det er hydrofobt. Det, vi opdagede, er et ledende todimensionelt lagdelt materiale, der også elsker vand. Det faktum, at vi nu kan rulle vores elektroder hurtigt og effektivt, og ikke at skulle bruge bindemidler og/eller ledende tilsætningsstoffer gør dette materiale ret attraktivt fra et masseproduktionssynspunkt."

Opdagelsen skete, mens Michael Ghidiu, en ph.d.-studerende rådgivet af Barsoum og Gogotsi i Institut for Materialevidenskab og Teknik i Drexel, testede en ny metode til fremstilling af MXenes - todimensionelle materialer opfundet hos Drexel, som er blandt de førende kandidater til brug i næste generations batterier og superkondensatorer.

Afviger en smule fra den originale kemiske ætsningsproces, som var banebrydende i Drexel, som bruger meget giftig flussyre, Ghidiu brugte i stedet et fluorsalt og saltsyre til at ætse aluminium ud af en titanium-baseret, lagdelt keramisk materiale kaldet en MAX-fase - også opdaget ved Drexel af Barsoum. Disse to ingredienser, som er kendte navne i kemiklassen og også er meget sikrere at håndtere end flussyre, reducerede MAX-fasen til en bunke sorte partikler. For at stoppe reaktionen og fjerne eventuelle resterende kemikalier, Ghidiu vaskede materialet i vand. Men i stedet for at finde de velkendte lagdelte MXene-partikler, han opdagede, at det ætsede sediment absorberede vandet og dannede et lerlignende materiale.

"Vi forventede at finde et lidt andet materiale fra den nye proces - men intet som dette, " sagde Ghidiu. "Vi håbede bare på en sikrere, billigere måde at lave MXenes på, da noget endnu bedre landede på bordet."

En af de første tests, som holdet udførte på leret, var at se, om det kunne presses ind i et tyndt lag, mens det bibeholdt dets ledende egenskaber - trods alt, dens oprindelige mål var at lave en ledende film.

"At være i stand til at rulle ler til en film er noget af en kontrast i produktionstiden, sikkerhed og omkostninger sammenlignet med de to mest almindelige metoder til fremstilling af elektrodematerialer, " sagde Ghidiu. "Både ætsnings- og skrælningsprocessen, der blev brugt til at lave MXener og en afskalning, filtrerings- og aflejringsmetode - som papirfremstilling - anvender stærke syrer og dyr, mindre almindelige materialer. Lerfremstillingsprocessen er meget enklere, hurtigere og sikrere."

Med den nye opdagelse, alle disse trin undgås, forenkler behandlingen i høj grad. Nu kan forskerne simpelthen ætse MAX-fasen, vask det resulterende materiale og rul det resulterende ler til film af forskellig tykkelse.

"Jeg vil sige, at den vigtigste fordel ved den nye metode - udover dens øgede kapacitans - er, at vi nu kan gøre en elektrode klar til brug på omkring 15 minutter, der henviser til, at den samlede proces før fra samme udgangspunkt ville være i størrelsesordenen en dag, " sagde Ghidiu.

Tilgængeligheden af ​​dets ingredienser gør også leret ret tiltalende ud fra et produktionssynspunkt.

"At være i stand til at lave en ledende ler, hovedsageligt fremstillet af titaniumcarbid ved hjælp af et almindeligt fluorsalt og saltsyre er det materiale, der svarer til at lave en chokoladekage - alle har disse ingredienser i spisekammeret, sagde Barsoum.

Men et spørgsmål, der genlyder gennem de fleste materialeforskning af denne art, er, selvfølgelig:hvad kan den gøre med en elektrisk ladning?

Grundig undersøgelse af lerets elektrokemiske ydeevne, udført af Maria Lukatskaya, en doktorand, rådgivet af Gogotsi og Barsoum, som blev omtalt i avisen, indikerede, at lerets evne til at lagre en elektrisk ladning er tre gange højere end rapporteret for MXener produceret ved flussyreætsning. Det betyder, at den kan finde anvendelse i batterierne, der driver mobiltelefoner og starter biler, eller endda i en superkondensator, der en dag kunne hjælpe vedvarende energikilder med at passe ind i et regionalt elnet.

"Husk, at dette er den allerførste generation af det materiale, vi tester, " sagde Lukatskaya. "Vi har ikke gjort noget for at øge dens evner, og ved 900 F/cm3 viser den allerede en højere kapacitans pr. volumenenhed end de fleste andre materialer. Vi rapporterer også, at den ikke mister noget af sin kapacitans gennem mere end 10, 000 opladnings-/afladningscyklusser, så vi taler om en ret speciel klump ler her."

Ændring af materialeforskeres medium fra film til ler præsenterer en række nye muligheder for forskning og fremstilling. Leret kan støbes i enhver form. Det kan også vandes ned til en ledende maling, der hærder inden for få minutter, mens den stadig bevarer sine ledende egenskaber. Det betyder, at den kan have applikationer i batterier, ledende transparente belægninger og forstærkning til blandt andet kompositter.

En elektronmikroskopisk undersøgelse af lerpartiklerne spredt i vand, dirigeret af medforfatter Mengqiang Zhao, PhD, en post-doc forsker i Gogotsis gruppe, viste, at leret består af enkeltlag af MXene omkring en nanometer - blot nogle få atomer - tykt. Denne atomisk tynde struktur indikerer, at forskere sandsynligvis vil opdage, at leret har mange attraktive elektroniske og optiske egenskaber, efterhånden som de fortsætter med at lære mere om det.

"Vi planlægger at blive ved med at skubbe fremad med vores undersøgelse af dette nye materiale i håb om at udvikle en virkelig skalerbar fremstillingsproces, forbedring af kvaliteten og udbyttet af MXene og eksfoliering af andre MAX-faser for at producere nye MXener, som ikke kunne syntetiseres ved hjælp af den tidligere anvendte proces - mulighederne synes uendelige. Selvom det kan ligne en smule ler, Jeg tror på, at denne opdagelse vil omforme forskningen på området fremadrettet." sagde Barsoum.