Scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, La Drexel University e i suoi partner hanno scoperto un modo per migliorare la densità energetica di promettenti materiali per lo stoccaggio dell'energia, ceramiche bidimensionali conduttive chiamate MXenes. I risultati sono pubblicati in Energia della natura .

Le batterie di oggi, che si basano sulla carica immagazzinata nella maggior parte dei loro elettrodi, offrono un'elevata capacità di accumulo di energia, ma le basse velocità di ricarica limitano la loro applicazione nell'elettronica di consumo e nei veicoli elettrici. I pilastri di accumulo di energia di domani potrebbero essere condensatori elettrochimici, noti come supercondensatori, che immagazzinano la carica sulla superficie del materiale degli elettrodi per una carica e scarica rapida. Però, attualmente i supercondensatori mancano della capacità di accumulo di carica, o densità di energia, di batterie.

"La comunità dello stoccaggio di energia è conservatrice, usando gli stessi pochi solventi elettrolitici per tutti i supercondensatori, " ha detto il ricercatore principale Yury Gogotsi, un professore della Drexel University che ha pianificato lo studio con il suo ricercatore post-dottorato Xuehang Wang. "I nuovi materiali per elettrodi come MXenes richiedono solventi elettrolitici che corrispondano alla loro chimica e proprietà".

Le superfici di diversi MXene possono essere coperte con diversi gruppi terminali, compreso ossigeno, specie di fluoro o ossidrile, che interagiscono fortemente e specificamente con diversi solventi e sali disciolti nell'elettrolita. Una buona corrispondenza dell'elettrolita solvente-elettrodo può quindi aumentare la velocità di carica o aumentare la capacità di stoccaggio.

"Il nostro studio ha dimostrato che la densità di energia dei supercondensatori basati su materiali MXene bidimensionali può essere notevolmente aumentata scegliendo il solvente appropriato per l'elettrolita, " ha aggiunto il coautore Lukas Vlcek dell'Università del Tennessee, che conduce ricerche nell'UT e nell'Istituto congiunto per le scienze computazionali dell'ORNL. "Semplicemente cambiando il solvente, possiamo raddoppiare la riserva di carica."

Il lavoro faceva parte delle Fluid Interface Reactions, Centro Strutture e Trasporti (FIRST), un Energy Frontier Research Center guidato da ORNL e supportato dal DOE Office of Science. La ricerca FIRST esplora le reazioni di interfaccia fluido-solido con conseguenze per il trasporto di energia nelle applicazioni quotidiane.

Ke Li di Drexel ha sintetizzato il carburo di titanio MXene da una ceramica madre "MAX" contenente titanio (indicato con "M"), alluminio ("A") e carbonio ("X"), incidendo gli strati di alluminio per formare monostrati MXene a cinque strati di carburo di titanio.

Successivamente, i ricercatori hanno immerso gli MXene in elettroliti a base di litio in vari solventi con strutture e proprietà molecolari notevolmente diverse. La carica elettrica è stata trasportata da ioni di litio che si inseriscono facilmente tra gli strati di MXene.

La microscopia elettronica a trasmissione ha rivelato l'integrità strutturale dei materiali prima e dopo gli esperimenti elettrochimici, mentre la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e la spettroscopia Raman hanno caratterizzato la composizione del MXene e le interazioni chimiche tra la superficie del MXene e il solvente dell'elettrolita.

Le misurazioni elettrochimiche hanno mostrato che la capacità massima (quantità di energia immagazzinata) è stata ottenuta utilizzando un elettrolita meno conduttivo. Questa osservazione era insolita e controintuitiva perché ci si aspetterebbe un elettrolita a base di solvente acetonitrile comunemente usato, avendo la più alta conduttività di tutti gli elettroliti testati, per offrire le migliori prestazioni. La diffrazione dei raggi X in situ ha mostrato espansione e contrazione della spaziatura tra gli strati di MXene durante la carica e la scarica quando è stato utilizzato l'acetonitrile, ma nessun cambiamento nella distanza tra gli strati quando è stato usato il solvente di carbonato di propilene. Quest'ultimo solvente ha portato a una capacità molto più elevata. Per di più, gli elettrodi che non si espandono quando gli ioni entrano ed escono dovrebbero sopravvivere a un numero maggiore di cicli di carica-scarica.

Per sondare la dinamica dei mezzi solventi elettrolitici confinati negli strati MXene, i ricercatori si sono rivolti allo scattering di neutroni, sensibile agli atomi di idrogeno contenuti nelle molecole di solvente.

Finalmente, simulazioni di dinamica molecolare fatte da Vlcek hanno rivelato che le interazioni tra gli ioni di litio, i solventi elettrolitici e le superfici MXene dipendono fortemente dalle dimensioni, forma molecolare e polarità delle molecole di solvente. Nel caso di un elettrolita a base di carbonato di propilene, gli ioni di litio non sono circondati da solvente e quindi si impacchettano strettamente tra i fogli di MXene. Però, in altri elettroliti, gli ioni di litio trasportano molecole di solvente insieme a loro mentre gli ioni di litio migrano nell'elettrodo, portando alla sua espansione al momento della ricarica. La modellazione può guidare la selezione di future coppie di solventi elettrodo-elettrolita.

"Diversi solventi hanno creato diversi ambienti confinati che hanno poi avuto una profonda influenza sul trasporto di carica e sulle interazioni degli ioni con gli elettrodi MXene, " Vlcek ha detto. "Questa varietà di strutture e comportamenti è stata resa possibile dalla struttura a strati degli elettrodi MXene, che può rispondere alla carica espandendo e contraendo facilmente lo spazio interstrato per ospitare una gamma molto più ampia di solventi rispetto agli elettrodi con strutture più rigide."

Il titolo dell'articolo è "Influenze dei solventi sullo stoccaggio della carica in MXene di carburo di titanio".