پژوهشگران روش جدیدی را برای بهبود چگالی انرژی ابررساناها بر اساس مواد دوبعدی کشف می-کنند

 | تاریخ ارسال: ۱۳۹۸/۱۱/۲۶ | 
پژوهشگران روش جدیدی را برای بهبود چگالی انرژی ابررساناها بر اساس مواد دوبعدی کشف می­کنند
باتری­ های امروزی که شارژ ذخیره شده در آنها بیشتر به الکترودهایشان بستگی دارند، ظرفیت ذخیره انرژی بالایی دارند. با این حال، سرعت شارژ آهسته منجر به محدود کردن کاربرد آن­ها در وسایل نقلیه برقی و الکترونیکی مصرفی می­شود. خازن­ های الکتروشیمیایی­، به نام ابررساناها، می­توانند اصلی­ ترین منبع ذخیره انرژی آینده باشند. این ابررساناها در ذخیره­ ی انرژی در سطح ماده الکترودیشان برای شارژ سریع و تخلیه توانا هستند. با این حال، در حال حاضر، ابررساناها ظرفیت ذخیره و شارژ باتری یا چگالی انرژی ندارند.
گروه ­های مختلف ترمینال، مانند فلورین، اکسیژن یا گونه­ های هیدروکسیل، می­توانند سطوح مختلف مکسن را بپوشانند. این گروه ­ها با قدرت و خصوصاً با حلال ­های متنوع و همچنین نمک ­های محلول موجود در الکترولیت تعامل دارند. یک مسابقه خوب بین یک الکترود و حلال الکترولیت ممکن است ظرفیت ذخیره سازی را بالا ببرد یا سرعت شارژ را افزایش دهد.
این مطالعه بخشی از مرکز FIRST (واکنش ­های رابط سیالات، ساختارها و حمل و نقل)، یک مرکز تحقیقات مرزی انرژی به سرپرستی ORNL و تأیید شده توسط دفتر علوم DOE است. پژوهش FIRST واکنش­ های بین رابط سیال و جامد را با عواقب حمل و نقل انرژی در برنامه­ های روزانه مطالعه می­کند.
کی لی از دانشگاه درکسل، مکسن کاربید تیتانیوم را از خانواده­ ی سرامیکی مکس تهیه کرد که شامل تیتانیوم مشخص شده توسط ("M")، آلومینیوم ("A") و کربن ("X") بود و پژوهشگران این کار را با اچ کردن لایه­ های آلومینیومی را برای ایجاد تک لایه ­های مکسن پنج صفحه ­ای کاربید تیتانیوم انجام دادند.
پژوهشگران متعاقباً مکسن را در الکترولیت­ های بر پایه­ ی لیتیوم در حلال­ های مختلف که از نظر خصوصیات و ساختارهای مولکولی بسیار متفاوت هستند، غوطه ­ور کردند. یون­ های لیتیوم که دارای بار الکتریکی هستند به راحتی خود را بین لایه­ های مکسن ادغام می­کنند.
بدون عیب بودن ساختار مواد قبل و بعد از آزمایش­های الکتروشیمیایی با میکروسکوپ الکترونی عبوری مشخص شد، در حالی که ترکیب و فعل و انفعالات شیمیایی مکسن بین حلال الکترولیت و سطح مکسن با طیف سنجی رامان و طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس آشکار می­شود. اندازه­گیری­های الکتروشیمیایی نشان داد که بالاترین ظرفیت (مقدار انرژی ذخیره شده) با کمک یک الکترولیت با رسانایی کمتر به دست می ­آید. این یک مشاهده عجیب و متناقض است زیرا پیش بینی به این صورت بود که الکترولیت بر پایه­ ی حلال استونیتریل مورد استفاده دارای حداکثر رسانایی در میان همه ­ی الکترولیت­ های آزمایش شده است تا بهینه­ ترین عملکرد را ارائه کند. در حالی که پراش پرتوی ایکس انقباض و گسترش فاصله بین لایه مکسن را در زمان شارژ و تخلیه با استفاده از استونیتریل نشان داد؛ هیچ تغییری در فاصله بین لایه ­ای با استفاده از حلال کربنات پروپیلن مشاهده نشد. حلال دوم منجر به ظرفیت نسبتاً بالاتری شد. علاوه بر این، الکترودهایی که با ورود و خروج یون­ها گسترش نمی­ یابند نیز پیش بینی می­شود تعداد بیشتری چرخه بار تخلیه را تحمل کنند.
به منظور بررسی پویایی حلال الکترولیتی محدود شده در لایه­ های مکسن، این تیم به پراکندگی نوترون روی آوردند که مستعد اتم ­های هیدروژن موجود در مولکول­های حلال است.
نهایتاً، ولکک شبیه سازی دینامیک مولکولی را انجام داد که تعامل بین سطوح مکسن، حلال­های الکترولیت و یون­های لیتیم بر اساس قطبیت، شکل مولکولی و اندازه مولکول­ های حلال را نشان داد. با توجه به یک الکترولیت بر پایه ­ی پروپیلن کربنات، یک حلال یون­ های لیتیوم را احاطه نمی­ کند و بنابراین بسته بندی نزدیکی بین ورق های مکسن دارد. با این حال، در انواع دیگر الکترولیت ­ها، مولکول­های حلال توسط یون ­های لیتیوم هنگام حرکت به داخل الکترود حمل می­شوند و در نتیجه باعث انبساط ناشی از شارژ شدن می­شوند. اعتقاد بر این است که مدل سازی احتمالاً می­تواند انتخاب زوج­ های حلال الکترود - الکترولیت قریب الوقوع را راهنمایی کند.

 گردآورندگان: دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان-مهندس ریحانه گودرزی
منبع: https://www.azom.com/news.aspx?newsID=50587