新型储能材料得到了前所未有的纳米级分析

材料牛注：美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员结合先进的原位显微镜和理论计算，发现一个关于超级电容器和电池的新一代能源存储材料的重要线索。

美国能源部橡树岭国家实验室（以下简称ORNL）的流体界面反应、结构和运输（简称FIRST）的研究团队，利用扫描探针显微镜首次在纳米层级上观察到在液态环境下、电化学循环过程中，离子是如何在二维电极层间移动和扩展的。这种迁移对于理解一种名为MXene、拥有极高的储能性能的新材料（新型的类石墨烯2D纳米材料）是如何存储能量的至关重要。

美国能源部能源科学前沿研究中心办公室，FIRST团队成员Nina Balke 介绍：“我们已经开发出一种用于液体环境的技术，使我们能够跟踪离子如何进入界面的。之前关于其究竟如何发生的我们知之甚少。”

“储能性能已在微观尺度上得到表征，但我们既不知道活性材料在纳米层级对离子注入发生了什么，也不知道它会对材料的应力和应变产生的什么影响，”Balke说。

所谓MXene材料，即基于已研究了数十年MAX相陶瓷（ M 为过渡族金属元素，A 为主族元素，X 为 C 或者 N），作为一种二维电极，其柔性可以和纸张相媲美。用化学方法去除“A"层，留下由过渡金属层（M）和碳或氮层（“X”）中三明治叠成的二维薄片，形成了MXene，在物理性能上类似于石墨。

这些拥有较高电容或或电荷存储能力的MXenes，直到最近才开始探索成为电池的先进储能介质。

FIRST研究人员Jeremy Come说道， “对于储能介质来说离子的相互作用与电荷转移和MXene对它性能影响很大。吸附过程会产生有趣的现象，而我们通过扫描探针显微镜观察到了这种驱动机制。”

研究人员探讨了离子如何进入材料，他们如何在材料里移动，以及它们如何与活性物质进行交互作用。例如，如果阳离子，带正电荷，被引入到带负电荷的MXene材料，导致材料收缩，变得更硬。

这项观察为扫描探针显微镜的纳米表征奠定了基础。研究人员测量了离子进入材料后硬度的局部变化。离子的扩散模式和材料的硬度有直接的相关性。

“因此，我们需要在液体的环境中去驱动MXene材料离子。然后我们可以测量不同电荷存储阶段的机械性能，这让我们直接了解离子存储的地方，”他说。在这项研究之前，该技术还没有在液体环境中完成。

由于达到了纳米级，没有使用CNMS扫描探针显微镜的研究之前，电极材料中离子注入和相互作用背后的过程已经超过测量范围。实验需要进行原位分析，以了解在干燥和潮湿的环境中的二维材料的纳米级的弹性变化和随着时间的推移的离子存储对材料能量存储的影响。

研究人员的下一步是提高材料中离子的扩散路径，从MXene族中探索不同材料。最终，团队希望了解这个过程的基本机制和机械性能，这将允许在调整能量存储的同时提高材料的性能和寿命。

相关论文最近出版在《Advanced Energy Materials》杂志。

本文参考地址：Advanced energy storage material gets unprecedented nanoscale analysis

感谢材料人网编辑部杜征峥提供素材。