解锁超薄储能材料，以便更快地充电，寿命更长的电池

带电的离子以绿色显示，移动到超薄的能量存储材料层中，以蓝色和棕色的点显示，但很难找到。跟踪离子的整体方法产生了对改进能量存储设备有用的知识。

由美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）领导的团队开发了一种新颖的集成方法，用于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，这些材料是由只有几个原子厚的层构成的，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个原子到器件尺度的运动和行为。

“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，从很简单到非常复杂，而且涉及的长度和时间范围很大，” ORNL的合著者Nina Balke说在流体界面反应，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（DOE）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。”研究结果使团队可以预测材料的电容或存储能量的能力。“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密闭环境中。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-能够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。

Balke说，MXenes可以弥合这两个概念的优势，这是快速充电设备具有更高，更高效的储能能力的总体目标。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”中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。

“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，” ORNL理论家和合著者Paul Kent说。

该团队希望他们的整合方法能够指导科学家们进行未来的MXene研究。“我们开发的是联合模型。如果我们从使用某种MXene的实验中获得一些数据，并且如果我们知道一个离子的电容，那么我们就可以预测其他离子的电容，这是我们以前无法做到的。”说过。

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

该论文的标题为“在整个长度尺度上跟踪离子嵌入层状Ti3C2 MXene薄膜中”，该论文的作者是ORNL的前任高强。范德比尔特大学的孙伟伟（原ORNL）； ORNL的Arthur P. Baddorf，Nina Balke，Huang Jingsong，Stephen Jesse，Paul Kent和Wan-Yu Tsai；佐治亚州立大学的Nadine Kabengi和Poorandokht Ilani-Kashkouli；葡萄牙阿威罗大学的亚历山大·谢列夫（Alexander Tselev）；杜兰大学的迈克尔·纳吉布（Michael Naguib）；和Drexel大学的Yury Gogotsi。

参考：高强，孙伟伟，Poorandokht Ilani-Kashkouli，Alexander Tselev，Paul RC Kent，Nadine Kabengi，Michael Naguib，Mohamed Alhabeb，蔡婉瑜，Arthur P. Baddorf撰写的“跨长度尺度的层状Ti3C2 MXene薄膜的离子嵌入跟踪” ，黄静松，斯蒂芬·杰西，尤里·高格西格和妮娜·巴尔克，2020年7月8日，能源与环境科学.DOI：
10.1039 / D0EE01580F

这项研究是由美国能源部科学办公室通过FIRST EFRC赞助的，并使用了ORNL纳米相材料科学中心和劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心的资源，这两个办公室都是科学办公室的用户设施。

UT-Battelle为美国能源部科学办公室管理ORNL。科学局是美国物理学领域基础研究的最大支持者，致力于解决当今时代最紧迫的挑战。