Tres electrodos MXene típicos diferentes, es decir, Nb2 C, Ti2 C y Ti3 C2 , se investigan sobre sus comportamientos electroquímicos para el almacenamiento acuoso de iones K, con comportamientos dominados por pseudocapacitivos, cinética rápida y estabilidad de ciclo duradera. Crédito:Nano Research Energy
Los supercondensadores están surgiendo como alternativas a las baterías de iones de litio y ofrecen densidades de energía más altas y vidas más largas (cantidad de ciclos en los que se mantiene la capacidad). Un supercondensador es como un cruce entre una batería (con almacenamiento de alta energía) y un condensador regular (con descarga de alta potencia).
Nueva investigación de la City University of Hong Kong publicada el 21 de marzo en Nano Research Energy demuestra el rendimiento sobresaliente de un capacitor construido con compuestos MXene. Los MXenes son compuestos inorgánicos bidimensionales cuyas grandes áreas de superficie molecular para el almacenamiento de energía les otorgan una conductividad y una capacidad de almacenamiento ultraaltas.
Los supercondensadores pueden almacenar mucha energía en un espacio pequeño y liberarla con una corriente alta; por ejemplo, pueden suministrar energía para minidispositivos como dispositivos electrónicos portátiles. Sin embargo, cuando se fabrican con moléculas orgánicas, los supercondensadores corren el riesgo de incendiarse.
El nuevo estudio exploró los supercondensadores fabricados con moléculas inorgánicas MXene para reducir el riesgo de incendio. En lugar del litio más caro, usaron potasio. El ion de potasio o K-ion es uno de los electrolitos más utilizados para permitir que la corriente eléctrica fluya en una batería. Guojin Liang, autor principal del artículo e investigador del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, dice que "han investigado los supercondensadores acuosos mediante la utilización de electrolitos intrínsecamente seguros a base de agua y se han centrado en el almacenamiento de iones K, que es más barato y más abundante". en la tierra para beneficiarse de aplicaciones seguras y de bajo costo".
Los compuestos MXenes consisten en capas de varios átomos de espesor de metales de transición, como carburos, nitruros o carbonitruros metálicos. Tienen las propiedades eléctricas de transporte de electrones eficiente a través de la capa de carburo de metal conductor, así como una superficie de metal ideal para reacciones redox (transferencia de electrones).
De los diversos MXenes, este estudio seleccionó tres para comparar el rendimiento. "Al comparar horizontalmente el rendimiento de almacenamiento de iones K de tres especies representativas de MXene, queremos descubrir la relación entre la estructura y su rendimiento de almacenamiento de iones K", dice el autor principal Xinliang Li, también del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. .
Los tres electrodos MXene o conductores eléctricos:Nb2 C, Ti2 C y Ti3 C2 —fueron investigados por sus comportamientos electroquímicos, incluida la química de cómo se insertaron los iones K en las capas de MXene y cómo se adhirieron los iones a las superficies metálicas. Los investigadores evaluaron los supercondensadores con respecto al mecanismo de almacenamiento, la capacidad, el rendimiento de la tasa y el rendimiento cíclico.
El condensador de iones K con el Nb2 C MXene tuvo el desempeño más destacado, con la mayor densidad de potencia (cantidad descargada) de 2336 W/kg y una densidad de energía (cantidad almacenada) de 24,6 Wh/kg. Si bien las baterías de iones de litio tienen densidades de energía más altas que los condensadores, su densidad de potencia es solo de 250-340 W/kg. Por lo tanto, un capacitor de iones de K con MXene puede descargar órdenes de magnitud de energía más rápido. El capacitor con Nb2 C MXene mantuvo casi toda su capacidad (94,6 %) después de 30 000 ciclos de descarga de 5 amperios/g de electricidad, en contraste con los aproximadamente 500 ciclos que se espera que dure una batería de iones de litio.
Todos los materiales MXene exhibieron comportamientos de supercondensador (cinética rápida y almacenamiento duradero de iones K), lo que brinda un mejor rendimiento que otros materiales anfitriones de iones K. Los resultados se derivan de la estructura estable de MXene a medida que obtiene y libera iones de potasio. Liang dice:"Podría atribuirse a la distancia intrínsecamente grande entre capas para el transporte de iones K y la excelente estabilidad estructural de MXene, incluso sujeto a un proceso de potasiación/despotasiación a largo plazo".
Aunque solo se investigaron tres electrodos MXene, otros compuestos MXene pueden tener un gran potencial para servir como electrodos de alojamiento de iones K acuosos. Los investigadores esperan que sus hallazgos "atraigan más atención a otros electrodos MXene prometedores para el almacenamiento duradero de iones K".
Los investigadores planean seguir experimentando con electrodos MXene para mejorar el rendimiento en aplicaciones prácticas. "Con respecto al condensador de iones K, nos gustaría modificar y manipular las especies de electrodos MXene para una mayor densidad de energía", dice el profesor Chunyi Zhi. En última instancia, aspiran a refinar los capacitores de iones de K para dispositivos electrónicos portátiles y otros dispositivos de mini potencia, ya que son de alto rendimiento, seguros y relativamente baratos. Desarrollo de electrodos MXene de alto rendimiento para baterías potentes de próxima generación
