Wuhan National Laboratory

Flexibler Zink-Ionen-Energiespeicher aus MXenen

7. November 2022, 14:43 Uhr | Ralf Higgelke
Science China Press
Basierend auf dem Design von nanoskaligen Ionenkanälen hat ein Forschungsteam am Wuhan National Laboratory for Optoelectronics MXen-Elektroden mit maximaler Ionenverfügbarkeit und hoher mechanischer Festigkeit konstruiert und für die Energiespeicherung von Zink-Ionen mit hoher Kapazität verwendet. Dies bietet einen einfachen, effizienten und skalierbaren Ansatz zur Verbesserung der elektrochemischen Energiespeicherkapazität von MXenen und anderen 2D-Materialien.
© Science China Press

Zweidimensionale Übergangsmetall-Karbide (MXene) eignen sich besonders für die elektrochemische Energiespeicherung. Allerdings ist der Ionentransport darin nicht unproblematisch. Forschende des Wuhan National Laboratory for Optoelectronics haben nun einen Ausweg gefunden.

Ein Forschungsteam am Wuhan National Laboratory for Optoelectronics der Huazhong University of Science and Technology hat einen winzigen selbstheilenden Zink-Ionen-Mikro-Superkondensator (ZIMC) mit außergewöhnlichen Werten bei der Selbstentladung realisiert. Möglich wurde dies, weil es dem Team gelang, durch chemische Oxidation koplanare Ionenkanäle im MXen-Material zu ätzen. Der neue ZIMC-Energiespeicher ist vielversprechend für den Einsatz in Wearables, da er flexibel ist und gleichzeitig eine geringe Selbstentladung und selbstheilende Eigenschaften aufweist, sodass er mikroelektronische Systeme über einen längeren Zeitraum unterstützen könnte.

Aufgrund ihrer stark hydrophilen Oberflächen und ihrer hervorragenden metallischen Leitfähigkeit sind zweidimensionale Übergangsmetall-Karbide (MXene) äußerst wettbewerbsfähig bei der elektrochemischen Energiespeicherung. Allerdings führt die leichte Neigung der übereinanderliegenden Schichten dazu, dass die Ionen schlecht zugänglich sind und weniger Transportwege innerhalb der MXene zur Verfügung stehen. Dies schränkt ihre elektrochemische Leistung ein.

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Basierend auf dem Design von nanoskaligen Ionenkanälen hat ein Forschungsteam am Wuhan National Laboratory for Optoelectronics MXen-Elektroden mit maximaler Ionenverfügbarkeit und hoher mechanischer Festigkeit konstruiert und für die Energiespeicherung von Zink-Ionen mit hoher Kapazität verwendet. Dies bietet einen einfachen, effizienten und skalierbaren Ansatz zur Verbesserung der elektrochemischen Energiespeicherkapazität von MXenen und anderen 2D-Materialien.
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Um die Vorteile von MXenen bei der elektrochemischen Energiespeicherung voll auszunutzen und deren Neigung zum Selbststapeln zu verhindern, wurden zahlreiche Techniken entwickelt. Insbesondere das chemische Ätzen, um nanoskaligen Ionenkanal-Elektroden herzustellen, bietet ein vielversprechendes Anwendungspotenzial. Allerdings ist es nach wie vor schwierig, diesen Prozess so zu steuern, dass die elektrochemische Energiespeicherung effektiv beeinflusst wird.

Diese Arbeit am National Laboratory for Optoelectronics basiert auf dem Designkonzept von nanoskaligen, koplanaren Ionenkanälen. Während die überlegene mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit von großformatigen MXen-Nanoschichten beibehalten wird, können die mit koplanaren Ionenkanälen ausgestatteten MXen-Nanoschichten den Laufweg der Ionen verkürzen und somit die elektrochemische Leistung des Superkondensators verbessern.

Der selbstheilende Zink-Ionen-Mikrokondensator auf MXen-Basis hat eine flächenspezifische Kapazität von 532,8 mF/cm² bei Stromdichten von 2 mA/cm², eine Selbstentladerate von 4,4 mV/h und eine Energiedichte von 145,1 μWh/cm² bei Leistungsdichten von 2800/μW/cm².

Originalpublikation

Cheng, Y. et al., Maximizing the ion accessibility and high mechanical strength in nanoscale ion channel MXene electrodes for high-capacity zinc-ion energy storage. Science Bulletin, ISSN 2095-9273, doi:10.1016/j.scib.2022.10.003


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