Opnå højere ydeevne med kaliumionbatteri

Superkondensatorer dukker op som alternativer til lithium-ion-batterier, der tilbyder højere effekttætheder og længere levetid (antal cyklusser, hvor kapaciteten opretholdes). En superkondensator er som en krydsning mellem et batteri (med høj energilagring) og en almindelig kondensator (med høj effektafladning).

Ny forskning fra City University of Hong Kong offentliggjort 21. marts i Nano Research Energy demonstrerer enestående ydeevne af en kondensator bygget med MXene-forbindelser. MXener er todimensionelle uorganiske forbindelser, hvis store molekylære overfladearealer til energilagring giver dem ultrahøj ledningsevne og lagringskapacitet.

Superkondensatorer kan lagre masser af energi i et lille rum og frigive det ved en høj strøm; for eksempel kan de levere strøm til mini-enheder såsom bærbar elektronik. Men når de er lavet med organiske molekyler, risikerer superkondensatorer at gå i brand.

Den nye undersøgelse udforskede superkondensatorer lavet med uorganiske MXene-molekyler for at reducere brandrisikoen. I stedet for det dyrere lithium brugte man kalium. Kaliumion eller K-ion er en af ​​de hyppigst anvendte elektrolytter til at tillade elektrisk strøm at flyde i et batteri. Guojin Liang, hovedforfatter af papiret og forsker fra Institut for Materialevidenskab og Teknik siger, at de "har undersøgt de vandige superkondensatorer ved at bruge de iboende sikre vandbaserede elektrolytter og fokuseret på K-ion-lagring, som er billigere og mere rigeligt i jorden til gavn for sikre og billige applikationer."

MXenes-forbindelser består af flere atomer tykke lag af overgangsmetaller, såsom metalcarbider, nitrider eller carbonitrider. De har de elektriske egenskaber til effektiv elektrontransport over det ledende metalkarbidlag, såvel som en metaloverflade, der er fantastisk til redox- (elektronoverførsel)-reaktioner.

Fra de forskellige MXenes udvalgte denne undersøgelse tre til sammenligning af ydeevne. "Ved at sammenligne K-ion-lagringsydelsen for tre repræsentative MXene-arter horisontalt, ønsker vi at finde ud af forholdet mellem strukturen og deres K-ion-lagringsydelse," siger hovedforfatter Xinliang Li, også fra Institut for Materialevidenskab og Engineering .

De tre MXene-elektroder eller elektriske ledere—Nb₂ C, Ti₂ C og Ti₃ C₂ - blev undersøgt for deres elektrokemiske adfærd, herunder kemien af, hvordan K-ionerne blev indsat i MXene-lagene, samt hvordan ioner klæbede til metaloverfladerne. Forskerne evaluerede superkondensatorerne med hensyn til lagermekanisme, kapacitet, hastighedsydelse og cyklisk ydeevne.

K-ion-kondensatoren med Nb₂ C MXene havde den mest fremragende ydeevne med den højeste effekttæthed (afladt mængde) på 2336 W/kg og en energitæthed (oplagret mængde) på 24,6 Wh/kg. Mens lithium-ion-batterier har højere energitætheder end kondensatorer, er deres effekttæthed kun på 250-340 W/kg. En K-ion kondensator med MXene kan derfor aflade strøm i størrelsesordener hurtigere. Kondensatoren med Nb₂ C MXene opretholdt næsten fuld kapacitet (94,6 %) efter 30.000 cyklusser med afladning af 5 ampere/g elektricitet, i modsætning til de omkring 500 cyklusser, et lithium-ion-batteri forventes at holde.

Alle MXene-materialerne udviste superkondensatoradfærd - hurtig kinetik og holdbar K-ion-lagring - og leverede bedre ydeevne end andre K-ion-værtsmaterialer. Resultaterne stammer fra den stabile struktur af MXene, som den får og afgiver kaliumioner. Siger Liang:"Det kan tilskrives den iboende store afstand mellem lag for K-ion-transport og den fremragende strukturelle stabilitet af MXene, selv udsat for langvarig kalium-/affaldsproces."

Selvom kun tre MXene-elektroder blev undersøgt, kan andre MXene-forbindelser have et stort potentiale til at tjene som vandige K-ion-værtselektroder. Forskerne håber, at deres resultater "vil henlede yderligere opmærksomhed på andre lovende MXene-elektroder til holdbar K-ion-lagring."

Forskerne planlægger at eksperimentere yderligere med MXene-elektroder mod forbedret ydeevne til praktiske anvendelser. "Med hensyn til K-ion-kondensatoren vil vi gerne modificere og manipulere MXene-elektrodearten for højere energitæthed," siger professor Chunyi Zhi. De stræber i sidste ende efter at forfine K-ion-kondensatorer til bærbar elektronik og andre mini-power-enheder, da de er højtydende, sikre og relativt billige. + Udforsk yderligere

Udvikling af højtydende MXene-elektroder til næste generations kraftfulde batteri