Достижение более высокой производительности в калий-ионных аккумуляторах
Новое исследование Городского университета Гонконга, опубликованное 21 марта в журнале Nano Research Energy , демонстрирует выдающиеся характеристики конденсатора, изготовленного из соединений MXene. MXenes являются двумерными неорганическими соединениями, большие молекулярные площади поверхности для хранения энергии придают им сверхвысокую проводимость и емкость хранения.
Три различных типичных MXene-электрода, т.е. Nb 2 C, Ti 2 C и Ti 3 C 2 , исследуются на предмет их электрохимического поведения при хранении ионов K в водной среде, характеризующегося псевдоемкостным преобладанием поведения, быстрой кинетикой и долговременной стабильностью при циклировании. Кредит: Nano Research Energy
Суперконденсаторы появляются как альтернатива литий-ионным батареям, предлагая более высокую плотность мощности и более длительный срок службы (количество циклов, при которых сохраняется емкость). Суперконденсатор представляет собой нечто среднее между батареей (с высоким запасом энергии) и обычным конденсатором (с высокой мощностью разряда).
Новое исследование Городского университета Гонконга, опубликованное 21 марта в журнале Nano Research Energy , демонстрирует выдающиеся характеристики конденсатора, изготовленного из соединений MXene. MXenes являются двумерными неорганическими соединениями, большие молекулярные площади поверхности для хранения энергии придают им сверхвысокую проводимость и емкость хранения.
Суперконденсаторы могут хранить много энергии в небольшом пространстве и высвобождать ее при высоком токе например, они могут питать мини-устройства, такие как носимая электроника. Однако суперконденсаторы, изготовленные из органических молекул , рискуют загореться.
В новом исследовании изучались суперконденсаторы, изготовленные из неорганических молекул MXene для снижения риска возгорания. Вместо более дорогого лития они использовали калий. Ион калия или К-ион является одним из наиболее часто используемых электролитов, позволяющих протекать электрическому току в батарее. Гоцзинь Лян, ведущий автор статьи и исследователь из Департамента материаловедения и инженерии, говорит, что они «изучили водные суперконденсаторы, используя безопасные электролиты на водной основе и сосредоточившись на хранении K-ионов, которые дешевле и более распространены. на земле, чтобы извлечь выгоду из безопасных и недорогих приложений».
Соединения MXenes состоят из слоев переходных металлов толщиной в несколько атомов, таких как карбиды, нитриды или карбонитриды металлов. Они обладают электрическими свойствами эффективного переноса электронов через проводящий слой карбида металла, а также металлической поверхностью, отлично подходящей для окислительно-восстановительных реакций (переноса электронов).
Из различных MXenes в этом исследовании были выбраны три для сравнения производительности. «Путем горизонтального сравнения производительности хранения K-ионов трех репрезентативных видов MXene мы хотим выяснить взаимосвязь между структурой и их производительностью хранения K-иона», — говорит ведущий автор Синьлян Ли, также из Департамента материаловедения и инженерии.
Три электрода MXene или электрические проводники — Nb 2 C, Ti 2 C и Ti 3 C 2 — были исследованы на предмет их электрохимического поведения, включая химию того, как ионы K внедряются в слои MXene, а также то, как ионы прикрепляются к металлические поверхности. Исследователи оценили суперконденсаторы с точки зрения механизма хранения, емкости, производительности и циклической производительности.
Конденсатор K-ion с Nb 2 C MXene имел самые выдающиеся характеристики с самой высокой плотностью мощности (разряженное количество) 2336 Вт/кг и плотностью энергии (количество запасенной) 24,6 Втч/кг. Хотя литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую плотность энергии, чем конденсаторы, их удельная мощность составляет всего 250-340 Вт/кг. Таким образом, конденсатор K-ion с MXene может разряжать мощность на несколько порядков быстрее. Конденсатор с Nb 2 C MXene сохранил почти полную емкость (94,6%) после 30 000 циклов разрядки 5 ампер/г электричества, в отличие от примерно 500 циклов, которые, как ожидается, прослужит литий-ионный аккумулятор.
Все материалы MXene продемонстрировали поведение суперконденсатора — быструю кинетику и надежное хранение K-ионов — обеспечивая лучшую производительность, чем другие материалы-хозяева K-иона. Результаты связаны со стабильной структурой MXene, когда он получает и отдает ионы калия. По словам Лян, «это можно объяснить большим межслоевым расстоянием для транспорта K-ионов и превосходной структурной стабильностью MXene, даже если он подвергается длительному процессу калий/декалий».
Несмотря на то, что были исследованы только три электрода MXene, другие соединения MXene могут иметь большой потенциал для использования в качестве электродов-хозяев с водными K-ионами. Исследователи надеются, что их результаты «привлекут дополнительное внимание к другим многообещающим электродам MXene для надежного хранения K-ионов».
Исследователи планируют дальнейшие эксперименты с электродами MXene для повышения производительности для практических приложений. «Что касается K-ионного конденсатора, мы хотели бы модифицировать и манипулировать видами электродов MXene для более высокой плотности энергии», — говорит профессор Чуньи Чжи. В конечном итоге они стремятся усовершенствовать K-ионные конденсаторы для носимой электроники и других мини-устройств питания, поскольку они высокопроизводительны, безопасны и относительно дешевы.
