I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno combinato microscopia in situ avanzata e calcoli teorici per scoprire importanti indizi sulle proprietà di un promettente materiale di accumulo di energia di prossima generazione per supercondensatori e batterie.

Reazioni dell'interfaccia fluida di ORNL, Strutture e trasporti (FIRST) gruppo di ricerca, utilizzando la microscopia a scansione di sonda resa disponibile attraverso il programma utente Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), hanno osservato per la prima volta su scala nanometrica e in un ambiente liquido come gli ioni si muovono e diffondono tra gli strati di un elettrodo bidimensionale durante il ciclo elettrochimico. Questa migrazione è fondamentale per comprendere come l'energia viene immagazzinata nel materiale, chiamato MXene, e ciò che guida le sue eccezionali proprietà di accumulo di energia.

"Abbiamo sviluppato una tecnica per ambienti liquidi che ci consente di tracciare il modo in cui gli ioni entrano negli spazi intercalari. Ci sono pochissime informazioni su come ciò avvenga effettivamente, " ha detto Nina Balke, uno di un team di ricercatori che lavora con Yury Gogotsi della Drexel University nel FIRST Center, un DOE Office of Science Energy Frontier Research Center.

"Le proprietà di accumulo di energia sono state caratterizzate su scala microscopica, ma nessuno sa cosa succede nel materiale attivo su scala nanometrica in termini di inserimento ionico e come questo influenzi le sollecitazioni e le deformazioni nel materiale, " ha detto Balke.

Il cosiddetto materiale MXene, che funge da elettrodo bidimensionale che potrebbe essere fabbricato con la flessibilità di un foglio di carta, si basa su ceramiche in fase MAX, che sono stati studiati per decenni. La rimozione chimica dello strato "A" lascia scaglie bidimensionali composte da strati di metallo di transizione - la "M" - strati di carbonio o azoto a sandwich (la "X") nel risultante MXene, che fisicamente assomiglia alla grafite.

Questi MXene, che hanno mostrato una capacità molto elevata, o capacità di immagazzinare carica elettrica, sono stati esplorati solo di recente come mezzo di accumulo di energia per batterie avanzate.

"L'interazione e il trasferimento di carica degli strati di ioni e MXene è molto importante per le sue prestazioni come mezzo di accumulo di energia. I processi di adsorbimento guidano fenomeni interessanti che governano i meccanismi che abbiamo osservato attraverso la microscopia a scansione di sonda, ", ha affermato il ricercatore FIRST Jeremy Come.

I ricercatori hanno esplorato come gli ioni entrano nel materiale, come si muovono una volta all'interno dei materiali e come interagiscono con il materiale attivo. Per esempio, se cationi, che sono caricati positivamente, vengono introdotti nel materiale MXene caricato negativamente, i contratti materiali, diventando più rigido.

Questa osservazione ha gettato le basi per la caratterizzazione su nanoscala basata sulla microscopia a scansione di sonda. I ricercatori hanno misurato i cambiamenti locali nella rigidità quando gli ioni entrano nel materiale. Esiste una correlazione diretta con il modello di diffusione degli ioni e la rigidità del materiale.

Come notato che gli ioni sono inseriti nell'elettrodo in una soluzione.

"Perciò, dobbiamo lavorare in un ambiente liquido per guidare gli ioni all'interno del materiale MXene. Quindi possiamo misurare le proprietà meccaniche in situ nelle diverse fasi di stoccaggio della carica, che ci dà una visione diretta su dove sono immagazzinati gli ioni, " Egli ha detto.

Fino a questo studio la tecnica non era stata eseguita in un ambiente liquido.

I processi alla base dell'inserimento degli ioni e le interazioni ioniche nel materiale degli elettrodi erano stati fuori portata su scala nanometrica fino agli studi del gruppo di microscopia a scansione della sonda CNMS. Gli esperimenti sottolineano la necessità di un'analisi in situ per comprendere i cambiamenti elastici su scala nanometrica nel materiale 2D in ambienti sia asciutti che umidi e l'effetto dell'accumulo di ioni sul materiale di accumulo di energia nel tempo.

I prossimi passi dei ricercatori sono migliorare i percorsi di diffusione ionica nel materiale ed esplorare diversi materiali della famiglia MXene. In definitiva, il team spera di comprendere il meccanismo fondamentale del processo e le proprietà meccaniche, che consentirebbe di ottimizzare l'accumulo di energia e di migliorare le prestazioni e la durata del materiale.

Il team di ricerca FIRST di ORNL ha anche fornito calcoli e simulazioni aggiuntivi basati sulla teoria del funzionale della densità che supportano i risultati sperimentali. Il lavoro è stato recentemente pubblicato sul Journal Materiali energetici avanzati .