673886040@qq.com
Разблокировка сверхтонких материалов для хранения энергии для более быстрой зарядки и долговечных ак
Команда, возглавляемая Окриджской национальной лабораторией Министерства энергетики США, разработала новый комплексный подход к отслеживанию переносящих энергию ионов в ультратонком материале, который может раскрыть его потенциал накопления энергии, что приведет к более быстрой зарядке и более длительным срокам службы устройств.
Ученые в течение десяти лет изучали возможности сохранения энергии в появляющемся классе двумерных материалов - материалов, построенных из слоев толщиной всего в несколько атомов, - называемых MXenes, что произносится как «max-eens».
Команда под руководством ORNL объединила теоретические данные компьютерного моделирования экспериментальных данных, чтобы точно определить потенциальные местоположения различных заряженных ионов в карбиде титана, наиболее изученной фазе MXene. Благодаря этому целостному подходу они могли отслеживать и анализировать движение и поведение ионов от отдельного атома до масштаба устройства.
«Сравнивая все используемые нами методы, мы смогли установить связи между теорией и различными типами характеристик материалов, от очень простых до очень сложных в широком диапазоне длин и временных масштабов», - сказала Нина Балке, соавтор ORNL. опубликованного исследования, которое было проведено в Центре реакций, структур и переноса на границе раздела жидкостей или FIRST. FIRST - это исследовательский центр Energy Frontier, финансируемый Министерством энергетики США, расположенный в ORNL.
«Мы собрали все эти звенья вместе, чтобы понять, как аккумуляция ионов работает в многослойных электродах MXene», - добавила она. Результаты исследования позволили команде предсказать емкость материала или его способность накапливать энергию. «И, в конце концов, после долгих обсуждений мы смогли объединить все эти техники в одну целостную картину, что было действительно круто».
Слоистые материалы могут увеличивать запасаемую энергию и передаваемую мощность, поскольку зазоры между слоями позволяют заряженным частицам или ионам перемещаться свободно и быстро. Однако ионы может быть трудно обнаружить и охарактеризовать, особенно в замкнутой среде с множеством процессов. Лучшее понимание этих процессов может повысить потенциал накопления энергии литий-ионных батарей и суперконденсаторов.
В рамках проекта центра FIRST команда сосредоточилась на разработке суперконденсаторов - устройств, которые быстро заряжаются для кратковременных потребностей в большой энергии. Напротив, литий-ионные батареи обладают более высокой энергоемкостью и дольше обеспечивают электрическую мощность, но скорость разряда и, следовательно, их уровни мощности ниже.
По словам Балке, у MXenes есть потенциал для объединения преимуществ этих двух концепций, что является всеобъемлющей целью устройств быстрой зарядки с большей и более эффективной емкостью хранения энергии. Это принесет пользу целому ряду приложений, от электроники до аккумуляторов электромобилей.
Используя компьютерное моделирование, команда смоделировала условия пяти различных заряженных ионов в слоях, заключенных в водном растворе или «водной оболочке». Теоретическая модель проста, но в сочетании с экспериментальными данными она создала базовый уровень, который предоставил доказательства того, куда уходят ионы внутри слоев MXene и как они ведут себя в сложной среде.
«Одним из удивительных результатов было то, что мы смогли увидеть, в рамках моделирования, различное поведение различных ионов», - сказал теоретик и соавтор ORNL Пол Кент.
Команда надеется, что их комплексный подход поможет ученым в будущих исследованиях MXene. «Мы разработали совместную модель. Если у нас есть немного данных из эксперимента с использованием определенного MXene, и если мы знаем емкость для одного иона, мы можем предсказать ее для других, а это то, что мы не могли сделать раньше », - Кент. сказал.
«Со временем мы сможем отследить это поведение до более реальных, наблюдаемых изменений свойств материала», - добавил он.
