Ein aufsteigender Stern in der Energiewelt

Entwicklung leistungsfähiger MXene-Elektroden für die nächste Generation leistungsstarker Batterien

23.11.2021 - Hong Kong

Zweidimensionale MXene sind ein aufsteigender Stern in der Energiewelt, da sie Energie schnell speichern können. Ihre instabile Spannungsabgabe begrenzt jedoch ihre Anwendungen. Ein kollaboratives Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der City University of Hong Kong (CityU) hat kürzlich batterieähnliche elektrochemische Nb2CTx-MXen-Elektroden mit stabiler Spannungsabgabe und hoher Energiedichte entwickelt, indem es eine Hochspannungs-Scanning-Strategie einsetzte. Diese neuesten Erkenntnisse könnten zu einem Durchbruch bei der Erfindung der leistungsfähigen Batterie der nächsten Generation führen.

City University of Hong Kong

Professor Zhi Chunyi von der City University of Hong Kong und sein Team entwickelten batterieähnliche elektrochemische Nb2CTx MXene-Elektroden, das schwarze Material im Inneren der Flasche. Die silbernen "Knöpfe" neben der Flasche sind Batterien, und auf der Rückseite befindet sich das Batterietestsystem.

Die Forschung wurde gemeinsam von Professor Zhi Chunyi und Assistenzprofessor Dr. Fan Jun vom Department of Materials Science and Engineering (MSE) geleitet. Der Lehrstuhlinhaber Professor Chen Furong von MSE leistete ebenfalls einen großen Beitrag zu dieser Forschung. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Joule  veröffentlicht.

Aufstrebender Stern in der Energiewelt

MXen ist eine große Familie zweidimensionaler Nanomaterialien, die in den letzten zehn Jahren im Mittelpunkt der Forschung zu 2D-Materialien im Bereich der Energiespeicherung stand. Aufgrund der ausgezeichneten elektronischen Leitfähigkeit und der großen Oberfläche zeichnet sich MXen durch eine schnelle oberflächliche Redoxwirkung aus und zeigt eine hohe Energiespeicherung.

Die größte Herausforderung bei der Energiespeicherung mit MXen besteht jedoch darin, dass alle bisher vorgestellten MXen-Elektroden kein ausgeprägtes Entladungsspannungsplateau aufweisen, d. h. sie entladen sich mit einer schnell abfallenden Ausgangsspannung. Dieser Mangel verschlechtert die Energiedichte von Mxen und die stabile Energieabgabe in den gewünschten Hochspannungsbereichen, was zu einer begrenzten Energiedichte führt, die in der Regel unter 100 Wh kg-1 liegt.

Um das Problem der instabilen Energieabgabe zu überwinden, entwickelte das Forschungsteam unter Leitung der CityU erfolgreich batterieartige Nb2CTx-MXen-Elektroden. Das Team entdeckte die völlig unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften der Nb2CTx MXene-Elektrode, indem es die Spannungsfenster von 2,0 V bis 2,4 V einstellte. Bei einer Hochspannungsabtastung von bis zu 2,4 V zeigte die Nb2CTx-MXen-Elektrode typische batterieähnliche Eigenschaften, die sich von denen bei niedriger Spannung und anderen zuvor berichteten MXen-Systemen unterscheiden.

Überlegene Eigenschaften bei Verwendung der Hochspannungs-Scanning-Strategie

Sie entdeckten, dass die Nb2CTx/Zn-Batterie bei der Hochspannungsabtastung eine überragende Ratenfähigkeit, eine dauerhafte zyklische Leistung und eine hohe Energiedichte aufweisen konnte. Noch wichtiger ist, dass es ihnen gelang, MXene mit einem flachen und stabilen Entladungsplateau von 1,55 V auszustatten, um ihre Energiedichte zu erhöhen. Mit einer Energiedichte von 146,7 Wh kg-1, die zu 63 % aus dem Plateaubereich stammt, wurde ein Rekordwert unter allen wässrigen Mxenelektroden erreicht. Damit wurde der Leistungsengpass von MXene-Bauelementen überwunden.

"Das Fehlen ausgeprägter Spannungsplateaus verschlechtert die Kapazitäten und Energiedichten von MXene-Elektroden, was ihr Potenzial als Hochleistungsbatterien begrenzt. Unsere Arbeit skizziert erfolgreich einen effizienten Weg, um MXene-Elektroden mit hoher Energiedichte und ausgeprägtem Entladungsspannungsplateau durch einen Hochspannungs-Scanning-Ansatz zu erreichen, der die elektrochemische Leistung von MXene-Elektroden drastisch verbessert", so Professor Zhi.

Professor Zhi ist davon überzeugt, dass die Ergebnisse weitere Forscher dazu inspirieren werden, die bisher unbekannten elektrochemischen Eigenschaften der MXen-Familie zu erforschen. "Zweidimensionale MXene, die sich durch eine schnelle oberflächliche Redoxwirkung und eine hohe Energiespeicherung auszeichnen, haben eine hervorragende Energiespeicherleistung. Mit der stabilen Spannungsabgabe und der stark verbesserten Energiedichte sind MXen-basierte Energiespeicher dem Ziel der praktischen Anwendung einen Schritt näher gekommen", sagte er.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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