En blød løsning på det hårde problem med energilagring

Det er fantastisk i laboratoriet, men vil det faktisk virke? Det er det million-dollar-spørgsmål, der konstant stilles til ingeniørforskere. For en familie af lagdelte nanomaterialer, udviklet og studeret på Drexel University – og bebudet som fremtiden for energilagring – svaret er nu, Ja.

I nogen tid, forskere har arbejdet på at bruge todimensionelle materialer, atomisk tynde nanomaterialer, som komponenter til hurtigere opladning, længerevarende batterier og superkondensatorer. Men problemet med de eksisterende teknikker til at gøre det er, at når tykkelsen af ​​materialelaget øges til omkring 100 mikron - omtrent bredden af ​​et menneskehår, som er industristandarden for energilagringsenheder - materialerne mister deres funktionalitet.

Nylig offentliggjort forskning fra Drexel og University of Pennsylvania, viser en ny teknik til at manipulere todimensionelle materialer, der gør det muligt at formes dem til film af en praktisk anvendelig tykkelse, samtidig med at de bevarer de egenskaber, der gør dem til exceptionelle kandidater til brug i superkondensatorelektroder.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Natur , fokuserer på at bruge bløde materialer - svarende til dem i flydende krystalskærme på telefoner og fjernsyn - som en guide til selvsamling af MXene-ark. MXenes, er en klasse af nanomaterialer opdaget ved Drexel i 2011, som er særligt velegnede til energilagring.

"Vores metode er afhængig af et ægteskab mellem blød materialesamling og funktionelle 2-D nanomaterialer, " sagde Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University og Bach professor i Drexel's College of Engineering, som var medforfatter til forskningen. "De resulterende elektrodefilm viser hurtig iontransport, fremragende taksthåndtering, og ladningslagring lig med eller større end kommercielle kulelektroder."

En åben kanal

Ifølge medforfatter Yu Xia, Ph.D., en postdoc ved Penn's School of Engineering and Applied Science, udfordringen med at opretholde energitætheden (hvor meget energi enhederne kan lagre) og effekttætheden (hvor hurtigt enheden kan oplade) af et ladningslagrende materiale ligger i at opretholde klare kanaler for ionbevægelse, efterhånden som materialerne skaleres op til større størrelser.

"Iondiffusionsproblemet i energilagringsenheder, " Xia siger, "inklusive batterier og superkondensatorer, har længe været anerkendt som et af de største problemer, der hæmmer den industrielle udvikling af nye batterier og superkondensatorer med højere energi- og effekttæthed. Konventionelt, 2-D materialer har til hensigt at stable oven på hinanden som ark papir i en bog, resulterer i en forlænget iondiffusionslængde, som undertrykker deres ydeevne, når tykkelsen af ​​elektroden nærmer sig industrielle standarder."

Holdets metode undgår dette stablingsproblem, som hæmmer iondiffusion, ved at støtte MXene-flagerne i elektroderne lodret. På det mikroskopiske plan, det kan ligne at stå op med tandstikker i fjollet kit. Ud over at få dem til at justere lodret, deres orientering kan også justeres ved at flytte den bløde materialebase.

Holdets sammensmeltning af blødt materiale med hårde materialer gav lovende resultater for MXenes fremtid som energilagringsmateriale.

"MXene-elektroder fremstillet ved denne metode viser normaliseret kapacitans, som er næsten uafhængig af tykkelse op til mindst 200 mikron, hvilket ikke er tilfældet for konventionelt samlede elektroder, hvor MXene-flagerne ville blive justeret parallelt med elektrodeoverfladen, " ifølge Tyler Mathis, en ph.d.-studerende i Drexels afdeling for materialevidenskab og teknik og medforfatter til forskningen, som udførte al elektrokemisk test af materialerne.

Stå og aflever

Mens "selvsamling af blødt stof" - den proces, hvorved molekyler inde i et materiale justerer sig i en orientering, som forskere kan manipulere - har eksisteret siden 1970'erne, og er nu drivkraften bag tv, telefon- og bærbare skærme, at kombinere det med hårde materialer er et væsentligt gennembrud.

Selvom et par forskningsgrupper har været i stand til at konstruere vertikal justering af materialer ved hjælp af en top-down proces, disse ruter er svære at skalere op til industrielle applikationer.

"Vores proces er gennem selvmontering, " sagde Shu Yang, Ph.D., en professor i afdelingerne for Materials Science and Engineering, og Chemical and Biomolecular Engineering i Penns School of Engineering and Applied Science og en medforfatter af forskningen. "Så det er meget billigere og kan skaleres over et stort område. I sidste ende Det er konceptet med at bruge bløde materialer med interessant justering og rækkefølge gennem samling for at tilpasse hårde materialer med interessante nanostrukturer og funktionalitet, der er det største gennembrud."

For at få 2D-materialet til at gennemgå denne proces, forskerne brugte et overfladeaktivt stof, som kan klemme mellem MXene-lagene for at hjælpe dem med at danne en flydende krystalfase. Forskerne anvendte derefter en mekanisk skæremetode på det, hvilket tvang molekylerne til at justere MXene-filmene lodret. De lodrette kanaler tillader ioner at bevæge sig, eller diffust – hvilket er nøglen til MXenes egenskaber – selvom materialet er opskaleret i tykkelse.

"Der er en masse grundlæggende viden i flydende krystaller, " sagde Yang. "Folk tror, ​​det er en gammel teknologi, men vi bliver bare ved med at genopdage, at denne viden faktisk er meget nyttig og anvendelig til nye funktionelle materialer."

Næste i rækken

Selvom forskerne erkender, at der er andre udfordringer at overvinde, før metoden kan bruges i enheder fra den virkelige verden, de mener, at deres resultater giver et spændende spring fremad på området. De langsigtede mål er at anvende metoden til superkondensator- og batterielektroder til strømforsyning af mobile elektroniske enheder, elbiler, og anvendelse i teknologier til høst af vedvarende energi.

"Det er et perfekt ægteskab mellem selvsamling af blødt stof og nanomaterialer, " siger Xia. "Vi laver en ny verden af ​​disse 2-D materialer, der kan bruges til rigtige industriapplikationer, matcher med industristandarden og forsøger at lave en rigtig enhed ud af det. Efter mere end et årti med arbejde i 2D-materialer, vi har fundet en vej forbi en af ​​de største barrierer for anvendelse og skaber faktisk et system, der er en af ​​de mest plausible måder at skubbe disse materialer ind i industrien."