更快更高效的能量存儲來自分層材料

由能源部橡樹嶺國家實驗室領導的團隊開發了一種新穎的集成方法，可以跟蹤超薄材料中的能量傳輸離子，從而可以釋放其儲能潛力，從而實現更快的充電，更持久的設備。

十年來，科學家們研究了新興的一類二維材料的能量存儲可能性，這些材料構造成只有幾個原子厚的層，稱為MXenes，發音為“最大年齡”。

由ORNL領導的團隊整合了來自實驗數據計算模型的理論數據，以查明研究最多的MXene相碳化鈦中各種帶電離子的潛在位置。通過這種整體方法，他們可以跟蹤和分析離子從單原子到器件尺度的運動和行為。

ORNL合著的Nina Balke說：“通過比較我們采用的所有方法，我們能夠在理論和不同類型的材料表征之間建立聯系，從非常簡單到非常復雜，范圍很廣。在流體界面反應，結構和輸運或FIRST中心內進行的已發表研究的結果。FIRST是美國能源部資助的能源前沿研究中心，位于ORNL。

她補充說：“我們將所有這些鏈接拉在一起，以了解離子存儲在多層MXene電極中的工作原理。” 研究結果使研究小組能夠預測材料的電容或其存儲能量的能力。“最后，經過大量討論，我們能夠將所有這些技術統一為一張有凝聚力的圖片，這真的很酷。”

層狀材料可以增強存儲的能量和傳遞的功率，因為??層之間的間隙允許帶電粒子或離子自由，快速地移動。但是，離子可能難以檢測和表征，特別是在具有多個過程的受限環境中。更好地理解這些過程可以提高鋰離子電池和超級電容器的儲能潛力。

作為FIRST中心項目，該團隊專注于超級電容器的開發，超級電容器是為短期大功率能源需求快速充電的設備。相反，鋰離子電池具有較高的能量容量并提供更長的電能，但是放電速率以及因此其功率水平較低。

巴爾克說，MXenes有潛力彌合這兩個概念的優勢，這是具有更大，更高效的儲能能力的快速充電設備的總體目標。這將有益于從電子產品到電動汽車電池的一系列應用。

利用計算模型，該團隊模擬了限制在水溶液或“水殼”內的層中五個不同帶電離子的條件。理論模型很簡單，但是與實驗數據相結合，它創建了一個基線，為MXene層中的離子流向何處以及它們在復雜環境中的行為提供了證據。

ORNL理論家和合著者保羅·肯特(Paul Kent)說：“一個令人驚訝的結果是，我們可以在模擬極限內看到不同離子的不同行為。”

該小組希望他們的綜合方法可以指導科學家們進行未來的MXene研究。“我們開發的是一個聯合模型。如果我們從使用某種MXene的實驗中獲得了一些數據，并且如果我們知道一個離子的電容，那么我們就可以預測另一個離子的電容，那是我們以前沒有的。肯特說：“以前做不到。”

他補充說：“最終，我們將能夠將這些行為追溯到更真實的，可觀察到的材料特性變化中。”