Científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, La Universidad de Drexel y sus socios han descubierto una forma de mejorar la densidad energética de materiales prometedores de almacenamiento de energía. cerámicas conductivas bidimensionales llamadas MXenes. Los hallazgos se publican en Energía de la naturaleza .

Las baterías de hoy, que dependen de la carga almacenada en la mayor parte de sus electrodos, ofrecen una alta capacidad de almacenamiento de energía, pero las velocidades de carga lentas limitan su aplicación en la electrónica de consumo y los vehículos eléctricos. Los pilares del almacenamiento de energía del mañana pueden ser los condensadores electroquímicos, conocidos como supercondensadores, que almacenan carga en la superficie de su material de electrodo para una carga y descarga rápidas. Sin embargo, en la actualidad, los supercondensadores carecen de capacidad de almacenamiento de carga, o densidad de energía, de baterías.

"La comunidad de almacenamiento de energía es conservadora, utilizando los mismos pocos disolventes de electrolitos para todos los supercondensadores, "dijo el investigador principal Yury Gogotsi, un profesor de la Universidad de Drexel que planeó el estudio con su investigador postdoctoral Xuehang Wang. "Los nuevos materiales de electrodos como los MXenes requieren disolventes de electrolitos que coincidan con su química y propiedades".

Las superficies de diferentes MXenes se pueden cubrir con diversos grupos terminales, incluyendo oxígeno, especies de flúor o hidroxilo, que interactúan fuerte y específicamente con diferentes disolventes y sales disueltas en el electrolito. Una buena combinación de electrolito solvente-electrodo puede aumentar la velocidad de carga o aumentar la capacidad de almacenamiento.

"Nuestro estudio mostró que la densidad de energía de los supercondensadores basados ​​en materiales MXene bidimensionales se puede aumentar significativamente al elegir el solvente apropiado para el electrolito, ", agregó el coautor Lukas Vlcek de la Universidad de Tennessee, quien realiza investigaciones en el Instituto Conjunto de Ciencias Computacionales de UT y ORNL. "Simplemente cambiando el solvente, podemos duplicar el almacenamiento de carga ".

El trabajo fue parte de las reacciones de interfaz fluida, Centro de Estructuras y Transportes (FIRST), un Centro de Investigación Energy Frontier dirigido por ORNL y apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE. La investigación FIRST explora las reacciones de la interfaz fluido-sólido con consecuencias para el transporte de energía en aplicaciones cotidianas.

Ke Li de Drexel sintetizó el carburo de titanio MXene a partir de una cerámica madre "MAX", que contiene titanio (indicado por "M"), aluminio ("A") y carbono ("X"):grabando las capas de aluminio para formar monocapas MXene de cinco capas de carburo de titanio.

Después, los investigadores empaparon los MXenes en electrolitos a base de litio en varios solventes con estructuras y propiedades moleculares dramáticamente diferentes. La carga eléctrica fue transportada por iones de litio que se insertan fácilmente entre las capas de MXene.

La microscopía electrónica de transmisión reveló la integridad estructural de los materiales antes y después de los experimentos electroquímicos. mientras que la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y la espectroscopia Raman caracterizaron la composición de MXene y las interacciones químicas entre la superficie de MXene y el solvente electrolítico.

Las mediciones electroquímicas mostraron que la capacitancia máxima (cantidad de energía almacenada) se logró utilizando un electrolito menos conductor. Esta observación fue inusual y contradictoria porque uno esperaría un electrolito a base de solvente de acetonitrilo de uso común, tener la conductividad más alta de todos los electrolitos probados, para ofrecer el mejor rendimiento. La difracción de rayos X in situ mostró expansión y contracción del espaciado entre capas de MXene durante la carga y descarga cuando se usó acetonitrilo. pero no hubo cambios en el espaciado entre capas cuando se usó el disolvente de carbonato de propileno. El último solvente resultó en una capacitancia mucho mayor. Es más, Se espera que los electrodos que no se expanden cuando los iones entran y salen sobreviven a un mayor número de ciclos de carga y descarga.

Para probar la dinámica de los medios solventes de electrolitos confinados en las capas de MXene, los investigadores recurrieron a la dispersión de neutrones, que es sensible a los átomos de hidrógeno contenidos en las moléculas de disolvente.

Finalmente, Las simulaciones de dinámica molecular realizadas por Vlcek revelaron que las interacciones entre los iones de litio, Los solventes electrolíticos y las superficies MXene dependen en gran medida del tamaño, forma molecular y polaridad de las moléculas de disolvente. En el caso de un electrolito a base de carbonato de propileno, los iones de litio no están rodeados de solvente y, por lo tanto, se empaquetan firmemente entre las láminas de MXene. Sin embargo, en otros electrolitos, Los iones de litio transportan moléculas de disolvente junto con ellos a medida que los iones de litio migran al electrodo, lo que lleva a su expansión al cargar. El modelado puede orientar la selección de futuros pares de disolventes electrodo-electrolito.

"Diferentes solventes crearon diferentes ambientes confinados que luego tuvieron una profunda influencia en el transporte de carga y las interacciones de iones con los electrodos MXene, ", Dijo Vlcek." Esta variedad de estructuras y comportamientos fue posible gracias a la estructura en capas de los electrodos MXene, que puede responder a la carga expandiendo y contrayendo fácilmente el espacio entre capas para acomodar una gama mucho más amplia de disolventes que los electrodos con estructuras más rígidas ".

El título del artículo es "Influencias de los disolventes en el almacenamiento de carga en MXenes de carburo de titanio".