Tre diversi tipici elettrodi MXene, ovvero Nb2 C, Ti2 C e Ti3 C2 , vengono studiati i loro comportamenti elettrochimici per l'accumulo di ioni K acquosi, caratterizzati da comportamenti dominati da pseudocapacitivi, cinetica veloce e stabilità del ciclo durevole. Credito:Nano Research Energy
I supercondensatori stanno emergendo come alternative alle batterie agli ioni di litio, offrendo densità di potenza più elevate e una maggiore durata (numero di cicli in cui viene mantenuta la capacità). Un supercondensatore è come un incrocio tra una batteria (con elevato accumulo di energia) e un normale condensatore (con scarica ad alta potenza).
Nuova ricerca della City University di Hong Kong pubblicata il 21 marzo su Nano Research Energy dimostra le prestazioni eccezionali di un condensatore costruito con composti MXene. Gli MXeni sono composti inorganici bidimensionali le cui ampie superfici molecolari per l'accumulo di energia conferiscono loro conduttività e capacità di stoccaggio ultraelevate.
I supercondensatori possono immagazzinare molta energia in un piccolo spazio e rilasciarla ad alta corrente; ad esempio, possono fornire alimentazione per mini dispositivi come l'elettronica indossabile. Tuttavia, se realizzati con molecole organiche, i supercondensatori rischiano di prendere fuoco.
Il nuovo studio ha esplorato i supercondensatori realizzati con molecole inorganiche di MXene per ridurre il rischio di incendio. Invece del più costoso litio, usavano il potassio. Lo ione potassio o ione K è uno degli elettroliti più utilizzati per consentire il flusso di corrente elettrica in una batteria. Guojin Liang, autore principale dell'articolo e ricercatore del Dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali, afferma che "hanno studiato i supercondensatori acquosi utilizzando gli elettroliti intrinseci sicuri a base d'acqua e si sono concentrati sull'accumulo di ioni K, che è più economico e più abbondante in terra per beneficiare di applicazioni sicure ea basso costo."
I composti MXenes sono costituiti da strati di metalli di transizione spessi diversi atomi, come carburi metallici, nitruri o carbonitruri. Hanno le proprietà elettriche di un efficiente trasporto di elettroni attraverso lo strato di carburo metallico conduttivo, nonché una superficie metallica ideale per reazioni redox (trasferimento di elettroni).
Tra i diversi MXene, questo studio ne ha selezionati tre per il confronto delle prestazioni. "Confrontando orizzontalmente le prestazioni di stoccaggio degli ioni K di tre specie rappresentative di MXene, vogliamo capire la relazione tra la struttura e le loro prestazioni di stoccaggio degli ioni K", afferma l'autore principale Xinliang Li, anche lui del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali .
I tre elettrodi MXene o conduttori elettrici:Nb2 C, Ti2 C e Ti3 C2 —sono stati studiati per i loro comportamenti elettrochimici, inclusa la chimica di come gli ioni K sono stati inseriti negli strati di MXene e di come gli ioni hanno aderito alle superfici metalliche. I ricercatori hanno valutato i supercondensatori rispetto al meccanismo di accumulo, alla capacità, alle prestazioni in termini di velocità e alle prestazioni cicliche.
Il condensatore agli ioni K con Nb2 C MXene ha avuto le prestazioni più eccezionali, con la più alta densità di potenza (quantità scaricata) di 2336 W/kg e una densità di energia (quantità immagazzinata) di 24,6 Wh/kg. Mentre le batterie agli ioni di litio hanno densità di energia più elevate rispetto ai condensatori, la loro densità di potenza è solo di 250-340 W/kg. Un condensatore K-ion con MXene può, quindi, scaricare ordini di grandezza di potenza più velocemente. Il condensatore con Nb2 C MXene ha mantenuto la capacità quasi completa (94,6%) dopo 30.000 cicli di scarica di 5 ampere/g di elettricità, in contrasto con i circa 500 cicli che una batteria agli ioni di litio dovrebbe durare.
Tutti i materiali MXene hanno mostrato comportamenti di supercondensatori, cinetica veloce e stoccaggio durevole di ioni K, offrendo prestazioni migliori rispetto ad altri materiali host di ioni K. I risultati derivano dalla struttura stabile di MXene mentre ottiene e rinuncia agli ioni potassio. Dice Liang, "Potrebbe essere attribuito alla distanza interstrato intrinsecamente grande per il trasporto di ioni K e alla superba stabilità strutturale di MXene, anche soggetto a processi di potassizzazione/depotassiazione a lungo termine".
Anche se sono stati studiati solo tre elettrodi MXene, altri composti MXene potrebbero avere un grande potenziale per fungere da elettrodi ospiti acquosi di ioni K. I ricercatori sperano che i loro risultati "attireranno ulteriore attenzione su altri promettenti elettrodi MXene per una conservazione durevole degli ioni K".
I ricercatori hanno in programma di sperimentare ulteriormente con gli elettrodi MXene per migliorare le prestazioni per applicazioni pratiche. "Per quanto riguarda il condensatore agli ioni K, vorremmo modificare e manipolare le specie di elettrodi MXene per una maggiore densità di energia", afferma il professor Chunyi Zhi. Alla fine aspirano a perfezionare i condensatori agli ioni di K per l'elettronica indossabile e altri dispositivi di alimentazione mini, poiché sono ad alte prestazioni, sicuri e relativamente economici. + Esplora ulteriormente
