p Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, combinaram microscopia in-situ avançada e cálculos teóricos para descobrir pistas importantes sobre as propriedades de um material promissor de armazenamento de energia de próxima geração para supercapacitores e baterias. p Reações de interface de fluido do ORNL, Equipe de pesquisa de Estruturas e Transporte (FIRST), usando microscopia de varredura por sonda disponibilizada através do programa do usuário Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), observaram pela primeira vez em nanoescala e em um ambiente líquido como os íons se movem e se difundem entre as camadas de um eletrodo bidimensional durante o ciclo eletroquímico. Esta migração é crítica para entender como a energia é armazenada no material, chamado MXene, e o que impulsiona suas propriedades excepcionais de armazenamento de energia.

p “Desenvolvemos uma técnica para ambientes líquidos que nos permite rastrear como os íons entram nos espaços entre as camadas. Há muito pouca informação sobre como isso realmente acontece, "disse Nina Balke, um de uma equipe de pesquisadores trabalhando com Yury Gogotsi da Drexel University no FIRST Center, um DOE Office of Science Energy Frontier Research Center.

p "As propriedades de armazenamento de energia foram caracterizadas em escala microscópica, mas ninguém sabe o que acontece no material ativo em nanoescala em termos de inserção de íons e como isso afeta tensões e deformações no material, "Balke disse.

p O chamado material MXene - que atua como um eletrodo bidimensional que pode ser fabricado com a flexibilidade de uma folha de papel - é baseado em cerâmicas de fase MAX, que têm sido estudados há décadas. A remoção química da camada "A" deixa flocos bidimensionais compostos de camadas de metal de transição - o "M" - camadas de carbono ou nitrogênio (o "X") no MXene resultante, que fisicamente se assemelha ao grafite.

p Esses MXenes, que exibiram capacitância muito alta, ou capacidade de armazenar carga elétrica, só recentemente foram explorados como um meio de armazenamento de energia para baterias avançadas.

p "A interação e a transferência de carga das camadas de íon e MXene são muito importantes para seu desempenho como meio de armazenamento de energia. Os processos de adsorção conduzem a fenômenos interessantes que governam os mecanismos que observamos por meio de microscopia de varredura por sonda, "disse o pesquisador do FIRST Jeremy Come.

p Os pesquisadores exploraram como os íons entram no material, como eles se movem uma vez dentro dos materiais e como eles interagem com o material ativo. Por exemplo, se cátions, que são carregados positivamente, são introduzidos no material MXene carregado negativamente, os contratos materiais, tornando-se mais rígido.

p Essa observação lançou as bases para a caracterização em nanoescala baseada em microscopia de sonda de varredura. Os pesquisadores mediram as mudanças locais na rigidez quando os íons entram no material. Existe uma correlação direta com o padrão de difusão dos íons e a rigidez do material.

p Venha notado que os íons são inseridos no eletrodo em uma solução.

p "Portanto, precisamos trabalhar em ambiente líquido para conduzir os íons dentro do material MXene. Então, podemos medir as propriedades mecânicas in-situ em diferentes estágios de armazenamento de carga, o que nos dá uma visão direta sobre onde os íons são armazenados, " ele disse.

p Até este estudo, a técnica não havia sido realizada em meio líquido.

p Os processos por trás da inserção de íons e as interações iônicas no material do eletrodo estavam fora do alcance em nanoescala até os estudos do grupo de microscopia por sonda de varredura do CNMS. Os experimentos ressaltam a necessidade de análise in situ para entender as mudanças elásticas em nanoescala no material 2D em ambientes secos e úmidos e o efeito do armazenamento de íons no material de armazenamento de energia ao longo do tempo.

p Os próximos passos dos pesquisadores são melhorar os caminhos de difusão iônica no material e explorar diferentes materiais da família MXene. Em última análise, a equipe espera entender o mecanismo fundamental do processo e as propriedades mecânicas, o que permitiria ajustar o armazenamento de energia, bem como melhorar o desempenho e a vida útil do material.

p A equipe de pesquisa do FIRST do ORNL também forneceu cálculos e simulações adicionais com base na teoria do funcional de densidade que suportam as descobertas experimentais. O trabalho foi publicado recentemente no Journal Materiais de energia avançados .