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 prometedor material de almacenamiento de energía de próxima generación para supercondensadores y baterías.
El equipo de investigación de ORNL Fluid Interface Reactions, Structures and Transport FIRST, utilizando microscopía de sonda de escaneo disponible a través del programa de usuario del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos CNMS, ha observado por primera vez a nanoescala y en un entorno líquido cómoLos iones se mueven y 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 entran en los espacios entre capas. Hay muy poca información sobre cómo sucede esto realmente", dijo Nina Balke, una de un equipo de investigadores que trabaja con Yury de la Universidad de Drexel.Gogotsi en el FIRST Center, un Centro de Investigación de la Frontera de Energía de la Oficina de Ciencia de 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 tensiones 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 cerámica de fase MAX, que se ha estudiado durante décadas. Eliminación química dela capa "A" deja escamas bidimensionales compuestas de capas de metal de transición, la "M", intercalando capas de carbono o nitrógeno la "X" en el MXene resultante, que físicamente se parece al grafito.
Estos MXenes, que han exhibido una capacitancia muy alta o capacidad para almacenar carga eléctrica, solo recientemente han sido explorados como un medio de almacenamiento de energía para baterías avanzadas.
"La interacción y la transferencia de carga de las capas de iones y MXene es muy importante para su desempeño como medio de almacenamiento de energía. Los procesos de adsorción generan fenómenos interesantes que gobiernan los mecanismos que observamos a través de la microscopía de exploración", 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 los cationes, que están cargados positivamente, se introducen en el material MXene cargado negativamente, el materialcontratos, volviéndose más rígido.
Esa observación sentó las bases para la caracterización a nanoescala basada en microscopía de la sonda de exploración. 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 los iones y la rigidez del material.
Ven notó que los iones se insertan en el electrodo en una solución.
"Por lo tanto, necesitamos trabajar en un entorno líquido para impulsar los iones dentro del material MXene. Luego, podemos medir las propiedades mecánicas in situ en diferentes etapas del almacenamiento de carga, lo que nos da una visión directa sobre dónde se almacenan los iones," él dijo.
Hasta este estudio, la técnica no se había realizado en un entorno líquido.
Los procesos detrás de la inserción de iones y las interacciones iónicas en el material del electrodo habían estado fuera del alcance en la nanoescala hasta los estudios del grupo de microscopía con sonda de exploración CNMS. Los experimentos subrayan la necesidad de un análisis in situ para comprender los cambios elásticos a nanoescala en elMaterial 2D en ambientes 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. En última instancia, el equipo espera comprender el mecanismo fundamental del proceso y las propiedades mecánicas, lo que también permitiría ajustar el almacenamiento de energíacomo mejorar el rendimiento y la vida útil del material.
El primer equipo de investigación 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 de energía avanzada .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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