2020年8月26日
由能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)领导的团队开发了一种综合的方法,可以跟踪超薄材料中的能量传输离子,这可能会释放其储能潜力,从而导致更快的充电,更持久的设备。
科学家已经研究了新兴类别的二维材料的能源存储可能性 - 二维材料的材料构造的材料只有几个原子厚的层 - 称为mxenes,发音为“ max-eens”。亚博网站下载
由ORNL领导的团队从实验数据的计算建模中集成了理论数据,以查明研究最多的MXENE阶段的各种带电离子的潜在位置。通过这种整体方法,他们可以跟踪和分析从单原子到设备量表的离子的运动和行为。
“通过比较我们采用的所有方法,我们能够在理论和不同类型的材料表征之间形成联系,从非常简单到非常复杂的长度和时间尺度,”亚博网站下载ORNL的共同作者Nina Balke说,该研究是在流体界面反应,结构和运输或第一个中心进行的。首先是位于ORNL的DOE资助的Energy Frontier Research Center。
“我们将所有这些链接拉在一起,以了解离子存储在分层的MXENE电极中的工作方式,”她补充说。该研究的结果使团队可以预测材料的电容或储存能量的能力。“最终,经过大量讨论,我们能够将所有这些技术统一为一张凝聚力的图片,这真的很酷。”
分层材料可以增强亚博网站下载存储的能量并传递功率,因为层之间的间隙允许带电的颗粒或离子自由移动。yabo214但是,离子可能很难检测和表征,尤其是在具有多个过程的限制环境中。更好地了解这些过程可以提高锂离子电池和超电容器的能源储能。
作为第一个中心项目,该团队专注于超级电容器的开发 - 这些设备很快就可以满足短期,高功率的需求。相比之下,锂离子电池具有较高的能量能力,并提供更长的电力,但是放电速率及其功率水平较低。
Balke说,MXENES有可能弥合这两个概念的好处,这是具有更大,更有效的能源存储能力的快速充电设备的总体目标。这将受益于从电子设备到电动电池的一系列应用。
使用计算建模,团队模拟了限制在水溶液或“水壳”中的层中五个不同电荷离子的条件。理论模型很简单,但与实验数据相结合,它创建了一个基线,该基线提供了MXENE层中离子的去向以及它们在复杂环境中的表现。
“一个令人惊讶的结果是,在模拟限制内,我们可以看到不同离子的不同行为,”说Ornl理论家和合着者保罗·肯特(Paul Kent)。
该团队希望他们的综合方法可以指导科学家进行未来的MXENE研究。“我们开发的是一个联合模型。如果我们使用某个MXENE有一些实验中的数据,并且如果我们知道一种离子的电容,我们可以为其他离子进行预测,这是我们不利的东西“以前可以做,”肯特说。
“最终,我们将能够将这些行为追溯到材料属性的更真实的,可观察到的变化,”他加了。
标题为“在长度尺度上跟踪离子插入到分层的Ti3c2 mxene膜中,”由Qiang Gao合着,原为Ornl;范德比尔特大学的Weiwei Sun,以前是Ornl;Arthur P. Baddorf,Nina Balke,Jingsong Huang,Stephen Jesse,Paul Kent和Ornl的Wan-Yu Tsai;佐治亚州立大学的Nadine Kabengi和贫穷的伊拉尼 - Kashkouli;葡萄牙Aveiro大学的Alexander Tselev;杜兰大学的Michael Naguib;和德雷克塞尔大学的Yury Gogotsi。
这项研究是由DOE科学办公室赞助的,尽管是第一个EFRC,并在ORNL的纳米相材料科学中心以亚博老虎机网登录及劳伦斯·伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心(Centry Centery Center of Science用户设施办公室)使用了资源。亚博网站下载
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来源:http://www.ornl.gov/