Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han combinado microscopía in situ avanzada y cálculos teóricos para descubrir pistas importantes sobre las propiedades de un material de almacenamiento de energía prometedor de próxima generación para supercondensadores y baterías.

Reacciones de interfaz de fluido de ORNL, Equipo de investigación de Estructuras y Transporte (FIRST), utilizando microscopía de sonda de barrido disponible a través del programa de usuario del Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), han observado por primera vez a nanoescala y en un entorno líquido cómo los iones se mueven y se difunden entre las capas de un electrodo bidimensional durante el ciclo electroquímico. Esta migración es fundamental para comprender cómo se almacena la energía en el material, llamado MXene, y qué impulsa sus excepcionales propiedades de almacenamiento de energía.

"Hemos desarrollado una técnica para entornos líquidos que nos permite rastrear cómo los iones ingresan a los espacios entre capas. Hay muy poca información sobre cómo sucede esto realmente, "dijo Nina Balke, uno de un equipo de investigadores que trabaja con Yury Gogotsi de la Universidad de Drexel en el FIRST Center, un Centro de Investigación Fronterizo de Energía de la Oficina de Ciencia del DOE.

"Las propiedades de almacenamiento de energía se han caracterizado a escala microscópica, pero nadie sabe qué sucede en el material activo en la nanoescala en términos de inserción de iones y cómo esto afecta las tensiones y deformaciones en el material, "Dijo Balke.

El llamado material MXene, que actúa como un electrodo bidimensional que podría fabricarse con la flexibilidad de una hoja de papel, se basa en cerámicas de fase MAX, que se han estudiado durante décadas. La eliminación química de la capa "A" deja escamas bidimensionales compuestas por capas de metales de transición, la "M", que forman un emparedado de capas de carbono o nitrógeno (la "X") en el MXene resultante, que se parece físicamente al grafito.

Estos MXenes, que han exhibido una capacitancia muy alta, o capacidad para almacenar carga eléctrica, sólo recientemente se han explorado como medio de almacenamiento de energía para baterías avanzadas.

"La interacción y transferencia de carga del ion y las capas de MXene es muy importante para su desempeño como medio de almacenamiento de energía. Los procesos de adsorción impulsan fenómenos interesantes que gobiernan los mecanismos que observamos mediante microscopía de sonda de barrido, ", dijo el investigador de FIRST Jeremy Come.

Los investigadores exploraron cómo los iones ingresan al material, cómo se mueven una vez dentro de los materiales y cómo interactúan con el material activo. Por ejemplo, si cationes, que están cargados positivamente, se introducen en el material MXene cargado negativamente, los contratos materiales, volviéndose más rígido.

Esa observación sentó las bases para la caracterización a nanoescala basada en microscopía de sonda de barrido. Los investigadores midieron los cambios locales en la rigidez cuando los iones ingresan al material. Existe una correlación directa con el patrón de difusión de iones y la rigidez del material.

Come notó que los iones se insertan en el electrodo en una solución.

"Por lo tanto, necesitamos trabajar en un ambiente líquido para impulsar los iones dentro del material MXene. Luego, podemos medir las propiedades mecánicas in situ en diferentes etapas de almacenamiento de carga, lo que nos da una idea directa sobre dónde se almacenan los iones, " él dijo.

Hasta este estudio, la técnica no se había realizado en un ambiente líquido.

Los procesos detrás de la inserción de iones y las interacciones iónicas en el material del electrodo habían estado fuera de alcance a nanoescala hasta los estudios del grupo de microscopía de sonda de barrido CNMS. Los experimentos subrayan la necesidad de análisis in situ para comprender los cambios elásticos a nanoescala en el material 2D en entornos secos y húmedos y el efecto del almacenamiento de iones en el material de almacenamiento de energía a lo largo del tiempo.

Los próximos pasos de los investigadores son mejorar las rutas de difusión iónica en el material y explorar diferentes materiales de la familia MXene. Por último, el equipo espera comprender el mecanismo fundamental y las propiedades mecánicas del proceso, lo que permitiría ajustar el almacenamiento de energía y mejorar el rendimiento y la vida útil del material.

El equipo de investigación FIRST de ORNL también proporcionó cálculos y simulaciones adicionales basados ​​en la teoría funcional de la densidad que respaldan los hallazgos experimentales. El trabajo fue publicado recientemente en la Revista Materiales energéticos avanzados .