Ученые в течение десяти лет изучали возможности сохранения энергии в формирующемся классе двумерных материалов – материалов, построенных из слоев толщиной всего в несколько атомов, – называемых MXenes, 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 одиночного 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 транспорта на границе раздела жидкостей или ПЕРВОГО,. FIRST – это исследовательский центр Energy Frontier, финансируемый Министерством энергетики США, расположенный в ORNL.
«Мы объединили все эти ссылки, 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 свободно и быстро перемещаться.
Однако ионы может быть трудно обнаружить и охарактеризовать, особенно в замкнутой среде с множеством процессов. Лучшее понимание этих процессов может повысить потенциал хранения энергии литий-ионных батарей и суперконденсаторов.
В рамках проекта центра FIRST команда сосредоточилась на разработке суперконденсаторов – устройств, которые быстро заряжаются для краткосрочных, мощных потребностей в энергии.
Напротив, литий-ионные батареи имеют более высокую энергоемкость 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 водный раствор, или "водную оболочку".«Теоретическая модель проста, но в сочетании с экспериментальными данными она создала базовый уровень, который предоставил доказательства того, куда уходят ионы в слоях MXene и как они ведут себя в сложной среде.
«Одним из удивительных результатов было то, что мы смогли увидеть, в рамках моделирования, различное поведение для разных 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 небольшая часть данных 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 », – сказал Кент. сказал.
«В конце концов, мы сможем отследить это поведение до более реальных, наблюдаемых изменений свойств материала», – добавил он.