Avanceret energilagringsmateriale får hidtil uset analyse i nanoskala

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har kombineret avanceret in-situ mikroskopi og teoretiske beregninger for at afdække vigtige spor til egenskaberne af et lovende næste generations energilagringsmateriale til superkondensatorer og batterier.

ORNLs væskegrænsefladereaktioner, Forskerhold for strukturer og transport (FIRST), ved hjælp af scanning probe mikroskopi gjort tilgængelig gennem Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) brugerprogram, har observeret for første gang på nanoskalaen og i et flydende miljø, hvordan ioner bevæger sig og diffunderer mellem lag af en todimensionel elektrode under elektrokemisk cykling. Denne migration er afgørende for at forstå, hvordan energi lagres i materialet, kaldet MXene, og hvad der driver dens exceptionelle energilagringsegenskaber.

"Vi har udviklet en teknik til flydende miljøer, der giver os mulighed for at spore, hvordan ioner kommer ind i mellemlagsrummene. Der er meget lidt information om, hvordan dette rent faktisk sker, sagde Nina Balke, en af ​​et team af forskere, der arbejder med Drexel Universitys Yury Gogotsi i FIRST Center, et DOE Office of Science Energy Frontier Research Center.

"Energilagringsegenskaberne er blevet karakteriseret i mikroskopisk skala, men ingen ved, hvad der sker i det aktive materiale på nanoskalaen med hensyn til ionindsættelse, og hvordan dette påvirker spændinger og belastninger i materialet, Sagde Balke.

Det såkaldte MXene-materiale - der fungerer som en todimensionel elektrode, der kunne fremstilles med fleksibiliteten af ​​et ark papir - er baseret på MAX-fase keramik, som er blevet undersøgt i årtier. Kemisk fjernelse af "A"-laget efterlader todimensionelle flager, der består af overgangsmetallag - "M" - som sammenlægger kulstof- eller nitrogenlag ("X") i det resulterende MXene, som fysisk minder om grafit.

Disse MXenes, som har udvist meget høj kapacitans, eller evnen til at lagre elektrisk ladning, er først for nylig blevet undersøgt som et energilagringsmedium til avancerede batterier.

"Interaktionen og ladningsoverførslen af ​​ion- og MXene-lagene er meget vigtig for dens ydeevne som et energilagringsmedium. Adsorptionsprocesserne driver interessante fænomener, der styrer de mekanismer, vi observerede gennem scanning probemikroskopi, " sagde FØRSTE forsker Jeremy Come.

Forskerne undersøgte, hvordan ionerne kommer ind i materialet, hvordan de bevæger sig en gang inde i materialerne, og hvordan de interagerer med det aktive materiale. For eksempel, hvis kationer, som er positivt ladede, indføres i det negativt ladede MXene-materiale, de materielle kontrakter, bliver stivere.

Denne observation lagde grunden til den scanning probe mikroskopi-baserede nanoskala karakterisering. Forskerne målte de lokale ændringer i stivhed, når ioner trænger ind i materialet. Der er en direkte sammenhæng med diffusionsmønsteret af ioner og materialets stivhed.

Come bemærkede, at ionerne indsættes i elektroden i en opløsning.

"Derfor, vi skal arbejde i et flydende miljø for at drive ionerne i MXene-materialet. Så kan vi måle de mekaniske egenskaber in-situ på forskellige stadier af ladningslagring, som giver os direkte indsigt i, hvor ionerne er lagret, " han sagde.

Indtil denne undersøgelse var teknikken ikke blevet udført i et flydende miljø.

Processerne bag ionindsættelse og de ioniske interaktioner i elektrodematerialet havde været uden for rækkevidde på nanoskala indtil CNMS scanning probe mikroskopigruppens undersøgelser. Eksperimenterne understreger behovet for in situ analyse for at forstå de nanoskala elastiske ændringer i 2D-materialet i både tørre og våde miljøer og effekten af ​​ionlagring på energilagringsmaterialet over tid.

Forskernes næste trin er at forbedre de ioniske diffusionsveje i materialet og udforske forskellige materialer fra MXene -familien. Ultimativt, holdet håber at forstå processens grundlæggende mekanisme og mekaniske egenskaber, hvilket ville gøre det muligt at justere energilagringen samt forbedre materialets ydeevne og levetid.

ORNLs FØRSTE forskerhold leverede også yderligere beregninger og simuleringer baseret på tæthedsfunktionsteori, der understøtter de eksperimentelle resultater. Værket blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Avancerede energimaterialer .