Команда, возглавляемая Юрием Гогоци, доктором философии, заслуженным университетом и профессором Баха инженерного колледжа Дрекселя на факультете материаловедения и инженерии, создала электроды новой конструкции из высокопроводящего двухмерного материала под названием MXene. Их конструкция может сделать устройства накопления энергии, такие как батареи, рассматриваемые как тяжелый грузовик-цистерна с технологией накопления энергии, такими же быстрыми, как и быстрые суперконденсаторы, которые используются для обеспечения энергией в крайнем случае – часто в качестве резервного аккумулятора или для обеспечения быстрого всплески энергии для таких вещей, как вспышки фотоаппаратов.
«Эта статья опровергает широко распространенную догму о том, что хранение химического заряда, используемое в батареях и псевдоконденсаторах, всегда намного медленнее, чем физическое хранение, используемое в электрических двухслойных конденсаторах, также известных как суперконденсаторы», – сказал Гогоци. «Мы демонстрируем зарядку тонких электродов MXene за десятки миллисекунд.
Это возможно благодаря очень высокой электронной проводимости MXene. Это открывает путь к разработке сверхбыстрых накопителей энергии, которые можно заряжать и разряжать за секунды, но при этом они хранят гораздо больше энергии, чем обычные суперконденсаторы."
Ключ к более быстрой зарядке накопителей энергии – в конструкции электродов. Электроды являются важными компонентами аккумуляторов, в которых энергия накапливается во время зарядки и из которых она расходуется для питания наших устройств.
Таким образом, идеальная конструкция для этих компонентов была бы такой, которая позволяет им быстро заряжаться и накапливать больше энергии.
Чтобы накапливать больше энергии, в материалах должно быть место для ее размещения. Электродные материалы в аккумуляторах предлагают порты для хранения заряда.
В электрохимии эти порты, называемые «активными окислительно-восстановительными центрами», представляют собой места, которые удерживают электрический заряд при доставке каждого иона. Таким образом, если материал электрода имеет больше портов, он может хранить больше энергии – что равносильно аккумулятору с большим количеством «сока»."
Соавторы Патрис Саймон, доктор философии, и Зифэн Линь из Университета Поля Сабатье во Франции создали конструкцию гидрогелевого электрода с большим количеством активных окислительно-восстановительных центров, что позволяет ему хранить столько же заряда, сколько и аккумулятор. Этот показатель емкости, называемый «объемными характеристиками», является важным показателем для оценки полезности любого устройства хранения энергии.
Чтобы сделать эти многочисленные порты для гидрогелевых электродов еще более привлекательными для ионного движения, команда под руководством Дрекселя, в которую вошли исследователи Мария Лукацкая, доктор философии, Санкалп Кота, аспирантка исследовательской группы MAX / MXene компании Drexel под руководством Мишеля Барсума, доктора философии, заслуженного профессора в области инженерный колледж; и Mengquiang Zhao, PhD, разработали архитектуру электродов с открытой макропористостью – множеством маленьких отверстий – чтобы сделать каждый окислительно-восстановительный центр в материале MXene легко доступным для ионов.
«В традиционных батареях и суперконденсаторах ионы имеют извилистый путь к портам накопления заряда, что не только замедляет все, но также создает ситуацию, когда очень мало ионов действительно достигают места назначения с высокой скоростью зарядки», – сказала Лукацкая, первый автор. на бумаге, проводившей исследование в рамках А.J. Институт наноматериалов Дрекселя. «Идеальная электродная архитектура была бы похожа на ионы, перемещающиеся в порты по многополосным высокоскоростным« автомагистралям », а не по однополосным дорогам.
Наша макропористая конструкция электрода достигает этой цели, обеспечивая быструю зарядку – порядка нескольких секунд или меньше."
Основным преимуществом использования MXene в качестве материала для конструкции электродов является его проводимость. Материалы, которые обеспечивают быстрое прохождение электрического тока, такие как алюминий и медь, часто используются в электрических кабелях.
MXenes являются проводящими, так же как и металлы, поэтому ионы не только имеют широко открытый путь к ряду портов для хранения, но они также могут очень быстро перемещаться, встречаясь там с электронами. Михаил Леви, доктор философии, и Нетанель Шпигель, сотрудники-исследователи из Университета Бар-Илан в Израиле, помогли группе Drexel максимизировать количество портов, доступных для ионов, в электродах MXene.
Использование в аккумуляторных электродах – это лишь последняя из серии разработок с материалом MXene, который был обнаружен исследователями из Департамента материаловедения и инженерии Drexel в 2011 году.
С тех пор исследователи тестировали их в различных приложениях, от накопления энергии до защиты от электромагнитного излучения и фильтрации воды. Эта последняя разработка важна, в частности, потому, что она решает одну из основных проблем, препятствующих расширению рынка электромобилей, и которая таится на горизонте для мобильных устройств.
«Если мы начнем использовать низкоразмерные и электронопроводящие материалы в качестве электродов батарей, мы сможем заставить батареи работать намного, намного быстрее, чем сегодня», – сказал Гогоци. "В конце концов, осознание этого факта приведет нас к автомобильным, портативным и мобильным аккумуляторам, способным заряжаться с гораздо большей скоростью – секунды или минуты, а не часы."