Исследователи разрабатывают высокопроизводительные электроды MXene для мощных аккумуляторов следующего поколения

Двумерный материал MXene стал довольно значимым открытием в сфере энергетики, поскольку позволяет быстро накапливать энергию. Серьёзной проблемой этого материала является нестабильное выходное напряжение, что серьёзно сужает возможности по использованию. В этом свете важным выглядит недавнее исследование группы учёных, которые разработали аккумуляторные электрохимические электроды Nb₂CT_X MXene со стабильным выходным напряжением и высокой энергетической плотностью. Для этого исследовательская группа использовала стратегию сканирования высокого напряжения. Открытие может привести к прорыву в разработке мощных аккумуляторов следующего поколения.

Восходящая звезда в мире энергетики

MXene представляет собой крупное семейство двумерных наноматериалов, которые в последнее десятилетие были центром исследования в сфере накопления энергии. Благодаря прекрасной проводимости электродов и большой площади поверхности, MXene имеет высокую скорость накопления энергии и обладает большим поверхностным окислительно-восстановительным потенциалом.

Серьезный недостаток группы материалов MXene заключается в том, что электроды из них не имеют чёткого «плато разрядного напряжения». Это означает, что их разряд происходит с быстро убывающим выходным напряжением. Это нарушает стабильную подачу энергии и ухудшает энергетическую плотность. В результате она не превышает 100 Втч/кг.

Чтобы решить проблему нестабильного выходного напряжения, исследовательская группа специалистов из CityU разработала аккумуляторные электроды Nb₂CT_X MXene. Команда ученых обнаружены совершенно разные электрохимические свойства электрода Nb₂CT_X MXene при изменении напряжения в интервале от 2,0 до 2,4 В. При сканирование под высоким напряжением (до 2,4 вольта) электрод Nb₂CT_X MXene продемонстрировал характеристики, типичные для аккумулятора. Они отличаются свойств других систем MXene, о которых сообщалось ранее. А также результаты отличаются от сканирования при низком напряжении.
 

Использование стратегии сканирования под высоким напряжением

Исследователи обнаружили, что аккумулятор Nb₂CT_X / Zn  демонстрирует длительную циклическую работу, высокую скорость передачи энергии и высокую энергетическую плотность при сканирование под высоким напряжением. Важно также, что им удалось добиться плоского и стабильного плато разряда при напряжении 1,55 вольта. Учёные получили рекордную плотность энергии среди всех электродов на водной основе из MXene. Она составила 146,7 Втч/кг. Причём, вклад области плато в эту величину составил 63%. В результате было устранено узкое место в производительности аккумуляторов на базе MXene.

Профессор Чжи говорит, что отсутствие чёткого плато напряжения значительно ухудшает ёмкость электродов MXene и энергетическую плотность. Это серьезно ограничивает их потенциал для использования в высокопроизводительных аккумуляторах. Он уверен, что проведённая ими работа, наметила чёткий путь к созданию электродов MXene с высокой плотностью энергии и четким плато разрядного напряжения. Чжи подчёркивает, что этого удалось добиться, благодаря применённому имя методу сканирования при высоком напряжении.

Профессор Чжи уверен, что полученные ими данные вдохновят большее число учёных на изучение нераскрытых электрохимических свойств в материалах семейства MXene. Благодаря получению стабильного выходного напряжения и увеличению энергетической плотности, аккумуляторы с такими электродами стали на один шаг ближе к практическому применению.

Помимо Чжи и Фань Цзюнь, в исследовании принимали участие Ли Синьлян (Li Xinliang), профессор Чен Фуронг (Chen Furong), а также 16 других ученых из 7 университетов и исследовательских институтов. Исследование было поддержано Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая.