Nopeampi ja tehokkaampi energian varastointi

Vihreällä esitetyt varautuneet ionit siirtyvät erittäin ohuiksi kerroksiksi energian varastointimateriaaliin, joka näkyy sinisinä ja ruskeina pisteinä, mutta niitä on vaikea paikallistaa. Holistinen lähestymistapa ionien jäljittämiseen antoi tietämystä, joka on hyödyllistä parempien energian varastointilaitteiden kehittämiseksi.

Oak Ridge National Laboratoryn johtama tiimi on kehittänyt uuden, lähestymistavan energiansiirron ionien seuraamiseksi erittäin ohuissa kerrostetuissa materiaaleissa, mikä voisi vapauttaa niiden energian varastointipotentiaalin ja johtaa nopeammin latautuviin ja kauemmin kestäviin laitteisiin.

Tutkijat ovat vuosikymmenen ajan tutkineet nousevan kaksiulotteisen materiaaliluokan - rakennettu kerroksina, jotka ovat vain muutaman atomin paksuisia - nimeltään MXenes, energian varastointimahdollisuuksia.

ORNL-johtoinen ryhmä integroi teoreettista tietoa kokeellisen datan laskennallisesta mallinnuksesta erilaisten varautuneiden ionien potentiaalisten sijaintien tunnistamiseksi titaanikarbidissa, joka on eniten tutkittu MXene-faasi. Kokeita tehtiin vesipitoisten Li+, Na+, K+, Cs+ ja Mg2+ -ionien interkalaation seuraamiseksi Ti3C2 MXene:ssä.

Tämän kokonaisvaltaisen lähestymistavan avulla he pystyivät seuraamaan ja analysoimaan ionien liikettä ja käyttäytymistä yksittäisen atomin ja laitetasoisen mittojen välillä.

"Vertaamalla kaikkia käyttämiämme menetelmiä pystyimme muodostamaan linkkejä teorian ja erityyppisten materiaalien karakterisointien välillä, jotka vaihtelevat hyvin yksinkertaisista erittäin monimutkaisiin laajalla pituus- ja aikakaavalla", kertoo Nina Balke, tutkimuksen ORNL-kirjoittaja.

"Yhdistimme kaikki nämä linkit yhteen ymmärtääksemme, miten ionivarastointi toimii kerroksellisissa MXene-elektrodeissa", hän lisää. Tutkimuksen tulokset antoivat tiimille mahdollisuuden ennustaa materiaalin kapasitanssia tai sen kykyä tallentaa energiaa. "Ja lopulta, pitkän keskustelun jälkeen, pystyimme yhdistämään kaikki nämä tekniikat yhdeksi yhtenäiseksi kuvaksi, mikä oli todella siistiä."

Kerrostetut materiaalit voivat parantaa varastoitua energiaa ja toimitettua energiaa, koska kerrosten väliset aukot antavat varattujen hiukkasten tai ionien liikkua vapaasti ja nopeasti.

Ioneja voi kuitenkin olla vaikea havaita ja karakterisoida, erityisesti ahtaassa ympäristössä, jossa on useita prosesseja. Näiden prosessien parempi ymmärtäminen voi edistää litiumioniakkujen ja superkondensaattoreiden energian varastointipotentiaalia.

Tutkijoiden mukaan MXeneillä on mahdollisuus yhdistää näiden kahden konseptin edut. Sellainen olisi nopeammin ladattavien laitteiden, joilla on suurempi ja tehokkaampi energian varastointikapasiteetti, yleinen tavoite. Tästä olisi hyötyä useille sovelluksille elektroniikasta aina sähköajoneuvojen akkuihin asti.

Aiheesta aiemmin:

Energiaa kaksiulotteisten materiaalien väliin

Ionitekniikkaa kondensaattoreihin