Os supercapacitores estão surgindo como alternativas às baterias de íons de lítio, oferecendo densidades de energia mais altas e vida útil mais longa (número de ciclos em que a capacidade é mantida). Um supercapacitor é como um cruzamento entre uma bateria (com armazenamento de alta energia) e um capacitor regular (com descarga de alta potência).
Nova pesquisa da City University of Hong Kong publicada em 21 de março na Nano Research Energy demonstra excelente desempenho de um capacitor construído com compostos MXene. Os MXenes são compostos inorgânicos bidimensionais cujas grandes áreas de superfície molecular para armazenamento de energia lhes conferem condutividade e capacidade de armazenamento ultra-altas.

Os supercapacitores podem armazenar muita energia em um espaço pequeno e liberá-la em alta corrente; por exemplo, eles podem fornecer energia para minidispositivos, como eletrônicos vestíveis. No entanto, quando feitos com moléculas orgânicas, os supercapacitores correm o risco de pegar fogo.

O novo estudo explorou supercapacitores feitos com moléculas inorgânicas de MXene para reduzir o risco de incêndio. Em vez do lítio mais caro, eles usaram potássio. O íon potássio ou íon K é um dos eletrólitos mais usados ​​para permitir que a corrente elétrica flua em uma bateria. Guojin Liang, principal autor do artigo e pesquisador do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, diz que "investigaram os supercapacitores aquosos utilizando os eletrólitos à base de água intrinsecamente seguros e focados no armazenamento de íons K, que é mais barato e mais abundante na terra para se beneficiar de aplicações seguras e de baixo custo."

Os compostos MXenes consistem em camadas de vários átomos de espessura de metais de transição, como carbonetos metálicos, nitretos ou carbonitretos. Eles têm as propriedades elétricas de transporte eficiente de elétrons através da camada condutora de carboneto de metal, bem como uma superfície metálica ótima para reações redox (transferência de elétrons).

Dos diversos MXenes, este estudo selecionou três para comparação de desempenho. “Ao comparar horizontalmente o desempenho de armazenamento de íons K de três espécies representativas de MXene, queremos descobrir a relação entre a estrutura e seu desempenho de armazenamento de íons K”, diz o principal autor Xinliang Li, também do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. .

Os três eletrodos ou condutores elétricos MXene—Nb₂ C, Ti₂ C e Ti₃ C₂ - foram investigados por seus comportamentos eletroquímicos, incluindo a química de como os íons K foram inseridos nas camadas de MXene, bem como como os íons aderiram às superfícies metálicas. Os pesquisadores avaliaram os supercapacitores em relação ao mecanismo de armazenamento, capacidade, desempenho da taxa e desempenho cíclico.

O capacitor K-ion com o Nb₂ O C MXene teve o desempenho mais destacado, com a maior densidade de potência (quantidade descarregada) de 2336 W/kg e uma densidade de energia (quantidade armazenada) de 24,6 Wh/kg. Embora as baterias de íons de lítio tenham densidades de energia mais altas do que os capacitores, sua densidade de energia está apenas na faixa de 250-340 W/kg. Um capacitor de íons K com MXene pode, portanto, descarregar ordens de magnitude de energia mais rapidamente. O capacitor com Nb₂ O C MXene manteve a capacidade quase total (94,6%) após 30.000 ciclos de descarga de 5 amperes/g de eletricidade, em contraste com os cerca de 500 ciclos que uma bateria de íons de lítio deve durar.

Todos os materiais MXene exibiram comportamentos de supercapacitor - cinética rápida e armazenamento durável de íons K - proporcionando melhor desempenho do que outros materiais hospedeiros de íons K. Os resultados derivam da estrutura estável do MXene à medida que ele obtém e libera íons de potássio. Diz Liang, "Isso pode ser atribuído à distância entre as camadas intrinsecamente grande para o transporte de íons K e a excelente estabilidade estrutural do MXene, mesmo submetido a processos de potassiação/depotassiação de longo prazo".

Embora apenas três eletrodos de MXene tenham sido investigados, outros compostos de MXene podem ter grande potencial para servir como eletrodos hospedeiros de íons K aquosos. Os pesquisadores esperam que suas descobertas "chamem mais atenção para outros eletrodos MXene promissores para armazenamento durável de íons K".

Os pesquisadores planejam experimentar ainda mais os eletrodos MXene para melhorar o desempenho para aplicações práticas. "Em relação ao capacitor de íons K, gostaríamos de modificar e manipular as espécies de eletrodos MXene para maior densidade de energia", diz o professor Chunyi Zhi. Em última análise, eles aspiram refinar os capacitores de íons K para eletrônicos vestíveis e outros minidispositivos de energia, uma vez que são de alto desempenho, seguros e relativamente baratos. + Explorar mais

Desenvolvendo eletrodos MXene de alto desempenho para bateria potente de próxima geração