Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, A Drexel University e seus parceiros descobriram uma maneira de melhorar a densidade de energia de materiais promissores de armazenamento de energia, cerâmicas bidimensionais condutoras chamadas MXenes. Os resultados são publicados em Nature Energy .

As baterias de hoje, que dependem da carga armazenada na maior parte de seus eletrodos, oferecem alta capacidade de armazenamento de energia, mas as velocidades lentas de carregamento limitam sua aplicação em eletrônicos de consumo e veículos elétricos. Os pilares de armazenamento de energia de amanhã podem ser capacitores eletroquímicos, conhecidos como supercapacitores, que armazenam carga na superfície do material do eletrodo para carregamento e descarregamento rápidos. Contudo, no momento, os supercondensadores não têm capacidade de armazenamento de carga, ou densidade de energia, de baterias.

"A comunidade de armazenamento de energia é conservadora, usando os mesmos poucos solventes eletrolíticos para todos os supercapacitores, "disse o investigador principal Yury Gogotsi, um professor da Drexel University que planejou o estudo com seu pesquisador de pós-doutorado Xuehang Wang. "Novos materiais de eletrodo como MXenes requerem solventes eletrolíticos que correspondam a sua química e propriedades."

As superfícies de diferentes MXenes podem ser cobertas com diversos grupos de terminais, incluindo oxigênio, espécies de flúor ou hidroxila, que interagem forte e especificamente com diferentes solventes e sais dissolvidos no eletrólito. Uma boa combinação eletrólito solvente-eletrodo pode aumentar a velocidade de carregamento ou aumentar a capacidade de armazenamento.

"Nosso estudo mostrou que a densidade de energia de supercondensadores com base em materiais MXene bidimensionais pode ser significativamente aumentada pela escolha do solvente apropriado para o eletrólito, "acrescentou o co-autor Lukas Vlcek da Universidade do Tennessee, que realiza pesquisas na UT e no Joint Institute for Computational Sciences do ORNL. "Simplesmente mudando o solvente, podemos dobrar o armazenamento de carga. "

O trabalho fez parte do Fluid Interface Reactions, Centro de Estruturas e Transporte (FIRST), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia liderado por ORNL e apoiado pelo DOE Office of Science. A pesquisa da FIRST explora reações de interface fluido-sólido com consequências para o transporte de energia em aplicações cotidianas.

Ke Li da Drexel sintetizou o carboneto de titânio MXene de uma cerâmica parente "MAX" - contendo titânio (denotado por "M"), alumínio ("A") e carbono ("X") - decapando as camadas de alumínio para formar monocamadas de MXene de cinco camadas de carboneto de titânio.

Subseqüentemente, os pesquisadores embeberam os MXenes em eletrólitos à base de lítio em vários solventes com estruturas e propriedades moleculares dramaticamente diferentes. A carga elétrica era transportada por íons de lítio que se inserem facilmente entre as camadas de MXene.

A microscopia eletrônica de transmissão revelou a integridade estrutural dos materiais antes e depois dos experimentos eletroquímicos, enquanto a espectroscopia de fotoelétrons de raios X e a espectroscopia Raman caracterizaram a composição do MXene e as interações químicas entre a superfície do MXene e o solvente eletrolítico.

Medidas eletroquímicas mostraram que a capacitância máxima (quantidade de energia armazenada) foi alcançada usando um eletrólito menos condutor. Esta observação foi incomum e contra-intuitiva porque seria de se esperar um eletrólito à base de solvente de acetonitrila comumente usado, tendo a maior condutividade de todos os eletrólitos testados, para oferecer o melhor desempenho. A difração de raios-X in situ mostrou expansão e contração do espaçamento entre camadas de MXene durante o carregamento e a descarga quando o acetonitrila foi usado, mas nenhuma mudança no espaçamento entre camadas quando o solvente de carbonato de propileno foi usado. O último solvente resultou em uma capacitância muito maior. Além disso, eletrodos que não se expandem quando os íons entram e saem devem sobreviver a um grande número de ciclos de carga-descarga.

Para sondar a dinâmica do meio solvente de eletrólito confinado nas camadas de MXene, os pesquisadores se voltaram para o espalhamento de nêutrons, que é sensível aos átomos de hidrogênio contidos nas moléculas de solvente.

Finalmente, Simulações de dinâmica molecular feitas por Vlcek revelaram que as interações entre os íons de lítio, solventes eletrolíticos e superfícies MXene dependem fortemente do tamanho, forma molecular e polaridade das moléculas de solvente. No caso de um eletrólito à base de carbonato de propileno, os íons de lítio não são circundados por solvente e, portanto, compactam firmemente entre as folhas de MXene. Contudo, em outros eletrólitos, Os íons de lítio carregam moléculas de solvente junto com eles conforme os íons de lítio migram para o eletrodo, levando à sua expansão durante o carregamento. A modelagem pode orientar a seleção de futuros pares eletrodo-eletrólito de solvente.

"Diferentes solventes criaram diferentes ambientes confinados que tiveram profunda influência no transporte de carga e nas interações de íons com os eletrodos MXene, "Vlcek disse." Esta variedade de estruturas e comportamentos foi possibilitada pela estrutura em camadas dos eletrodos MXene, que pode responder à carga facilmente expandindo e contraindo o espaço intercamada para acomodar uma gama muito mais ampla de solventes do que eletrodos com estruturas mais rígidas. "

O título do artigo é "Influências de solventes no armazenamento de carga em MXenes de carboneto de titânio."