Двумерные материалы максены (MXene) стали звездами в энергетическом мире благодаря своей способности быстро накапливать энергию. Однако их нестабильный выход напряжения ограничивает область применения. Коллектив ученых из Гонконгского университета (CityU) под руководством профессора Чжи Чунъи и доцента Фан Цзюня (Кафедра материаловедения и инженерии) разработал батарейные электроды максены Nb2CTx с химией электрохимической ячейки, обладающие стабильным выходом напряжения и высокой энергетической плотностью, применяя стратегию высоковольтного сканирования. Эти последние открытия могут привести к прорыву в создании мощной батареи следующего поколения.
Исследование было проведено под руководством профессора Чжи Чунъи и доцента Фан Цзюня из Кафедры материаловедения и инженерии. Профессор Чэн Фуронг также внес значительный вклад в это исследование. Результаты опубликованы в научном журнале Joule под названием "Внутренний плато напряжения катода Nb2CTx MXene в водном электролите, вызванное высоковольтным сканированием".
Звезда в мире энергетики
Максены - это большое семейство двумерных наноматериалов, являвшихся объектом исследований в области энергосбережения за последнее десятилетие. Благодаря отличной электропроводности и большой поверхности максены обладают быстрым поверхностным редоксом и высокоскоростным накоплением энергии.
Но основной проблемой энергосбережения максенов является то, что все сообщенные электроды максенов не имеют выраженного плато разрядного напряжения, что означает быстрое снижение выходного напряжения при разрядке. Этот недостаток ухудшает энергетическую плотность максенов и стабильность энерговыхода в желаемых областях высокого напряжения, что приводит к ограниченной энергетической плотности, обычно менее 100 Вт·ч/кг.
Чтобы преодолеть проблему нестабильного выхода энергии, исследовательская группа из CityU успешно разработала батарейные электроды максены Nb2CTx. Группа выявила полностью различные электрохимические свойства электрода максен Nb2CTx, регулируя напряжение в диапазоне от 2,0 В до 2,4 В. При высоковольтном сканировании до 2,4 В электрод максен Nb2CTx показал типичные характеристики батареи, отличные от тех, которые были получены при низком напряжении и в других ранее описанных системах максенов.
Превосходные характеристики при использовании стратегии высоковольтного сканирования
Исследователи обнаружили, что аккумулятор Nb2CTx/Zn может обладать превосходной способностью к зарядке, устойчивой цикличной производительностью и высокой энергетической плотностью при высоковольтном сканировании. Более того, им удалось оснастить максен плоским и стабильным плато разряда 1,55 В для увеличения их энергетических плотностей. Также была достигнута рекордная энергетическая плотность среди всех водных электродов максенов, составляющая 146,7 Вт·ч/кг с 63% вкладом из области плато. Это преодолевает узкое место в работе устройств MXene.
"Отсутствие выраженных плато напряжения ухудшает емкость электродов MXene и энергетические плотности, что ограничивает их потенциал как высокопроизводительные батареи. Наша работа успешно обрисовывает эффективный путь к достижению электродов максенов с высокой энергетической плотностью и выраженным плато напряжения при помощи стратегии высоковольтного сканирования, что значительно улучшает электрохимическую производительность электродов максенов", - отметил профессор Чжи.
Профессор Чжи считает, что результаты вдохновят исследователей исследовать неизвестные электрохимические свойства семейства максенов. "Двумерный максен, отличающийся быстрым поверхностным редоксом и высокоскоростным накоплением энергии, обладает выдающейся энергетической производительностью. С устойчивым выходом напряжения и значительно улучшенной энергетической плотностью устройства хранения энергии на основе максенов приближаются к практическому применению", - отметил он.
Соавторами статьи являются профессор Чжи и доктор Фан Цзюн. Первым автором статьи является доктор Ли Синлян, докторант Кафедры материаловедения и инженерии. Кроме того, среди соавторов профессор Чэн Фуронг и еще 16 исследователей из 7 университетов и исследовательских институтов. Исследование было поддержано Национальной ключевой программой исследований и разработок Китая.