新型儲能材料得到了前所未有的納米級分析

材料牛注：美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員結合先進的原位顯微鏡和理論計算，發現一個關于超級電容器和電池的新一代能源存儲材料的重要線索。

美國能源部橡樹嶺國家實驗室（以下簡稱ORNL）的流體界面反應、結構和運輸（簡稱FIRST）的研究團隊，利用掃描探針顯微鏡首次在納米層級上觀察到在液態環境下、電化學循環過程中，離子是如何在二維電極層間移動和擴展的。這種遷移對于理解一種名為MXene、擁有極高的儲能性能的新材料（新型的類石墨烯2D納米材料）是如何存儲能量的至關重要。

美國能源部能源科學前沿研究中心辦公室，FIRST團隊成員Nina Balke 介紹：“我們已經開發出一種用于液體環境的技術，使我們能夠跟蹤離子如何進入界面的。之前關于其究竟如何發生的我們知之甚少。”

“儲能性能已在微觀尺度上得到表征，但我們既不知道活性材料在納米層級對離子注入發生了什么，也不知道它會對材料的應力和應變產生的什么影響，”Balke說。

所謂MXene材料，即基于已研究了數十年MAX相陶瓷（ M 為過渡族金屬元素，A 為主族元素，X 為 C 或者 N），作為一種二維電極，其柔性可以和紙張相媲美。用化學方法去除“A"層，留下由過渡金屬層（M）和碳或氮層（“X”）中三明治疊成的二維薄片，形成了MXene，在物理性能上類似于石墨。

這些擁有較高電容或或電荷存儲能力的MXenes，直到最近才開始探索成為電池的先進儲能介質。

FIRST研究人員Jeremy Come說道， “對于儲能介質來說離子的相互作用與電荷轉移和MXene對它性能影響很大。吸附過程會產生有趣的現象，而我們通過掃描探針顯微鏡觀察到了這種驅動機制。”

研究人員探討了離子如何進入材料，他們如何在材料里移動，以及它們如何與活性物質進行交互作用。例如，如果陽離子，帶正電荷，被引入到帶負電荷的MXene材料，導致材料收縮，變得更硬。

這項觀察為掃描探針顯微鏡的納米表征奠定了基礎。研究人員測量了離子進入材料后硬度的局部變化。離子的擴散模式和材料的硬度有直接的相關性。

“因此，我們需要在液體的環境中去驅動MXene材料離子。然后我們可以測量不同電荷存儲階段的機械性能，這讓我們直接了解離子存儲的地方，”他說。在這項研究之前，該技術還沒有在液體環境中完成。

由于達到了納米級，沒有使用CNMS掃描探針顯微鏡的研究之前，電極材料中離子注入和相互作用背后的過程已經超過測量范圍。實驗需要進行原位分析，以了解在干燥和潮濕的環境中的二維材料的納米級的彈性變化和隨著時間的推移的離子存儲對材料能量存儲的影響。

研究人員的下一步是提高材料中離子的擴散路徑，從MXene族中探索不同材料。最終，團隊希望了解這個過程的基本機制和機械性能，這將允許在調整能量存儲的同時提高材料的性能和壽命。

相關論文最近出版在《Advanced Energy Materials》雜志。

本文參考地址：Advanced energy storage material gets unprecedented nanoscale analysis

感謝材料人網編輯部杜征崢提供素材。