更快更高效的能量存储来自分层材料

由能源部橡树岭国家实验室领导的团队开发了一种新颖的集成方法，可以跟踪超薄材料中的能量传输离子，从而可以释放其储能潜力，从而实现更快的充电，更持久的设备。

十年来，科学家们研究了新兴的一类二维材料的能量存储可能性，这些材料构造成只有几个原子厚的层，称为MXenes，发音为“最大年龄”。

由ORNL领导的团队整合了来自实验数据计算模型的理论数据，以查明研究最多的MXene相碳化钛中各种带电离子的潜在位置。通过这种整体方法，他们可以跟踪和分析离子从单原子到器件尺度的运动和行为。

ORNL合着的Nina Balke说：“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，从非常简单到非常复杂，范围很广。在流体界面反应，结构和输运或FIRST中心内进行的已发表研究的结果。FIRST是美国能源部资助的能源前沿研究中心，位于ORNL。

她补充说：“我们将所有这些链接拉在一起，以了解离子存储在多层MXene电极中的工作原理。” 研究结果使研究小组能够预测材料的电容或其存储能量的能力。“最后，经过大量讨论，我们能够将所有这些技术统一为一张有凝聚力的图片，这真的很酷。”

层状材料可以增强存储的能量和传递的功率，因为​​层之间的间隙允许带电粒子或离子自由，快速地移动。但是，离子可能难以检测和表征，特别是在具有多个过程的受限环境中。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储能潜力。

作为FIRST中心项目，该团队专注于超级电容器的开发，超级电容器是为短期大功率能源需求快速充电的设备。相反，锂离子电池具有较高的能量容量并提供更长的电能，但是放电速率以及因此其功率水平较低。

巴尔克说，MXenes有潜力弥合这两个概念的优势，这是具有更大，更高效的储能能力的快速充电设备的总体目标。这将有益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，该团队模拟了限制在水溶液或“水壳”内的层中五个不同带电离子的条件。理论模型很简单，但是与实验数据相结合，它创建了一个基线，为MXene层中的离子流向何处以及它们在复杂环境中的行为提供了证据。

ORNL理论家和合著者保罗·肯特(Paul Kent)说：“一个令人惊讶的结果是，我们可以在模拟极限内看到不同离子的不同行为。”

该小组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。“我们开发的是一个联合模型。如果我们从使用某种MXene的实验中获得了一些数据，并且如果我们知道一个离子的电容，那么我们就可以预测另一个离子的电容，那是我们以前没有的。肯特说：“以前做不到。”

他补充说：“最终，我们将能够将这些行为追溯到更真实的，可观察到的材料特性变化中。”