Hogere prestaties behalen met een kaliumionbatterij

Drie verschillende typische MXene-elektroden, namelijk Nb₂C, Ti₂C en Ti₃C₂, worden onderzocht op hun elektrochemische gedrag voor waterige K-ion-opslag, met pseudocapacitief gedomineerd gedrag, snelle kinetiek en duurzame cyclusstabiliteit. Krediet: Nano-onderzoeksenergie

Supercondensatoren zijn in opkomst als alternatief voor lithium-ionbatterijen, met hogere vermogensdichtheden en een langere levensduur (aantal cycli waarbij de capaciteit behouden blijft). Een supercondensator is als een kruising tussen een batterij (met hoge energieopslag) en een gewone condensator (met hoge stroomontlading).

Nieuw onderzoek van de City University of Hong Kong gepubliceerd op 21 maart in Nano-onderzoeksenergie demonstreert uitstekende prestaties van een condensator gebouwd met MXene-verbindingen. MXenen zijn tweedimensionale anorganische verbindingen waarvan de grote moleculaire oppervlakten voor energieopslag hen een ultrahoge geleidbaarheid en opslagcapaciteit geven.

Supercondensatoren kunnen veel energie opslaan in een kleine ruimte en deze met een hoge stroom afgeven; ze kunnen bijvoorbeeld stroom leveren voor mini-apparaten zoals draagbare elektronica. Wanneer ze echter worden gemaakt met organische moleculen, lopen supercondensatoren het risico vlam te vatten.

De nieuwe studie onderzocht supercondensatoren gemaakt met anorganische MXene-moleculen om het brandrisico te verminderen. In plaats van het duurdere lithium gebruikten ze kalium. Het kaliumion of K-ion is een van de meest gebruikte elektrolyten om elektrische stroom in een batterij te laten vloeien. Guojin Liang, hoofdauteur van het artikel en onderzoeker van het Department of Materials Science and Engineering, zegt dat ze “de waterige supercondensatoren hebben onderzocht door gebruik te maken van de intrinsiek veilige elektrolyten op waterbasis en zich hebben gericht op K-ion-opslag, die goedkoper en overvloediger is. in aarde om te profiteren van veilige en goedkope toepassingen.”

MXenes-verbindingen bestaan ​​uit meerdere atomen dikke lagen overgangsmetalen, zoals metaalcarbiden, nitriden of carbonitriden. Ze hebben de elektrische eigenschappen van efficiënt elektronentransport door de geleidende metaalcarbidelaag, evenals een metalen oppervlak dat uitstekend geschikt is voor redoxreacties (elektronenoverdracht).

Uit de diverse MXenen selecteerde deze studie er drie om de prestaties te vergelijken. “Door de K-ion-opslagprestaties van drie representatieve MXene-soorten horizontaal te vergelijken, willen we de relatie tussen de structuur en hun K-ion-opslagprestaties achterhalen”, zegt hoofdauteur Xinliang Li, ook van het Department of Materials Science and Engineering .

De drie MXene-elektroden of elektrische geleiders – Nb₂C, Ti₂C en Ti₃C₂-werden onderzocht op hun elektrochemische gedrag, inclusief de chemie van hoe de K-ionen in de MXene-lagen werden ingebracht en hoe ionen zich aan de metalen oppervlakken hechtten. De onderzoekers evalueerden de supercondensatoren met betrekking tot opslagmechanisme, capaciteit, snelheidsprestaties en cyclische prestaties.

De K-ion condensator met de Nb₂C MXene had de beste prestaties, met de hoogste vermogensdichtheid (ontladen hoeveelheid) van 2336 W/kg en een energiedichtheid (opgeslagen hoeveelheid) van 24,6 Wh/kg. Hoewel lithium-ionbatterijen een hogere energiedichtheid hebben dan condensatoren, ligt hun vermogensdichtheid slechts in de 250-340 W/kg. Een K-ion-condensator met MXene kan daarom ordes van grootte sneller ontladen. De condensator met Nb₂C MXene behield bijna de volledige capaciteit (94,6%) na 30.000 cycli van het ontladen van 5 ampère/g elektriciteit, in tegenstelling tot de ongeveer 500 cycli die een lithium-ionbatterij naar verwachting meegaat.

Alle MXene-materialen vertoonden supercondensatorgedrag – snelle kinetiek en duurzame K-ion-opslag – en leverden betere prestaties dan andere K-ion-hostmaterialen. De resultaten komen voort uit de stabiele structuur van MXene als het kaliumionen krijgt en opgeeft. Liang zegt: “Het kan worden toegeschreven aan de intrinsiek grote afstand tussen de lagen voor K-ion-transport en de uitstekende structurele stabiliteit van MXene, zelfs onderworpen aan een langdurig kalium-/depotassiatieproces.”

Hoewel er slechts drie MXene-elektroden zijn onderzocht, kunnen andere MXene-verbindingen een groot potentieel hebben om als waterige K-ion-hostelektroden te dienen. De onderzoekers hopen dat hun bevindingen “verdere aandacht zullen vestigen op andere veelbelovende MXene-elektroden voor duurzame K-ion-opslag.”

De onderzoekers zijn van plan om verder te experimenteren met MXene-elektroden om de prestaties voor praktische toepassingen te verbeteren. “Wat betreft de K-ion-condensator, willen we de MXene-elektrodesoorten aanpassen en manipuleren voor een hogere energiedichtheid”, zegt professor Chunyi Zhi. Ze streven er uiteindelijk naar om K-ion-condensatoren te verfijnen voor draagbare elektronica en andere minivermogensapparaten, omdat ze goed presteren, veilig zijn en relatief goedkoop.