2020年8月26日
美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)领导的一个团队开发了一种新颖的综合方法，在超薄材料中追踪能量传输离子，这可能释放其能量存储潜力，导致更快充电、更持久的设备。
十年来，科学家们一直在研究一种新型二维材料的能量储存可能性，这种材料是由只有几个原子厚的层构成的，被称为MXenes，读作“max-eens”。欧洲杯足球竞彩
ornl领导的团队整合了实验数据计算模型中的理论数据，以确定碳化钛中各种带电离子的潜在位置，碳化钛是研究最多的MXene相。通过这种整体方法，他们可以跟踪和分析离子的运动和行为，从单原子到设备规模。
“通过比较我们采用的所有方法，我们能够在理论和不同类型的材料表征之间建立联系，从非常简单的到非常复杂的，在很宽的长度和时间尺度上，”欧洲杯足球竞彩Nina Balke说，她是在流体界面反应、结构和运输中心(FIRST, Center)内进行的已发表研究的合著者。FIRST是能源部资助的能源前沿研究中心，位于ORNL。
“我们把所有这些连接在一起，以了解离子存储如何在多层MXene电极中工作，”她补充道。该研究结果使研究小组能够预测这种材料的电容，即其存储能量的能力。“最后，经过多次讨论，我们能够将所有这些技术统一到一个连贯的画面中，这真的很酷。”
层状材料可以增强欧洲杯足球竞彩能量储存和能量传递，因为层之间的间隙允许带电粒子或离子自由快速地移动。欧洲杯猜球平台然而，离子很难检测和表征，特别是在有多个过程发挥作用的受限环境中。更好地理解这些过程可以提高锂离子电池和超级电容器的能量存储潜力。
作为第一中心的一个项目，该团队专注于超级电容器的开发——一种短期、高功率能源需求的快速充电设备。相比之下，锂离子电池具有更高的能量容量，提供电能的时间更长，但其放电速率和功率水平较低。
Balke说，MXenes有潜力将这两种概念的优点结合起来，这是快速充电设备具有更大、更有效的储能容量的首要目标。这将有利于从电子产品到电动汽车电池的一系列应用。
利用计算模型，研究小组模拟了五种不同的带电离子在被限制在水溶液或“水壳”中的情况。理论模型很简单，但结合实验数据，它建立了一个基线，为MXene层中的离子的去向以及它们在复杂环境中的行为提供了证据。
“一个令人惊讶的结果是，我们可以看到，在模拟极限内，不同离子的行为不同，”ORNL的理论家和合著者保罗·肯特说。
该团队希望他们的综合方法可以指导科学家们进行未来的MXene研究。“我们开发的是一种联合模式。如果我们有一些使用特定MXene的实验数据，如果我们知道一个离子的电容，我们就可以预测其他离子的电容，这是我们以前无法做到的。”肯特说。
“最终，我们将能够追踪这些行为，以更真实的、可观察到的材料属性变化，”他补充说。
本文题为“跨长度尺度跟踪离子嵌入层状Ti3C2 MXene薄膜”，作者之一是前ORNL的高强;美国范德比尔特大学(Vanderbilt University)的孙伟伟(Weiwei Sun);ORNL的Arthur P. Baddorf, Nina Balke, Jingsong Huang, Stephen Jesse, Paul Kent和wanyu Tsai;乔治亚州立大学的Nadine Kabengi和Poorandokht Ilani-Kashkouli;葡萄牙阿威罗大学的Alexander Tselev;杜兰大学的Michael Naguib;以及德雷塞尔大学的尤里·戈戈西。
这项研究是由美国能源部科学办公室赞助的，尽管是第一EFRC，并使用了橡树岭国家实验室的纳米相欧洲杯线上买球材料科学中心和劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心的资源，这两个都是科学办公室的用户设施。欧洲杯足球竞彩
UT-Battelle为美国能源部科学办公室管理ORNL。欧洲杯线上买球作为美国物理科学基础研究的单一最大支持者，科学办公室正在努力应对我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欧洲杯线上买球
来源:http://www.ornl.gov/