Der Schlüssel ist MXene, a zweidimensionales Material bestehend aus zwei Teilen: einem Hydrogel (einem Gel mit einem flüssigen Wasseranteil) und einem Oxidmetall. Es ist strukturell dicht genug, um Strahlung abzuschirmen und Wasser zu filtern, wie das Forschungsteam von Drexel gezeigt hat in 2011. Aber es ist auch sehr leitfähig, was es zu einem guten Kandidaten macht Batteriemembranen.
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Dies ist der chemischen Zusammensetzung von MXene zu verdanken, die den Fluss optimiert Elektroden – die Orte, an denen Energie in Batterien gespeichert wird, um sie aufzuladen – durch sie. Batterien halten
Ionen in Anschlüssen, die als „redoxaktive Zentren“ bezeichnet werden, um eine Ladung zu halten, und die Anzahl der Anschlüsse, die eine Batterie enthält, ist direkt proportional zur Ladungsmenge, die sie aufnehmen kann.
Im Gegensatz zu den heutigen Batteriemembranen, die den Ionen nur begrenzte Wege bieten, zu den Anschlüssen zu gelangen, schafft MXene mehrere Wege, durch die die Ionen wandern können. Und die von Natur aus hohe Leitfähigkeit von MXene trägt dazu bei, die Ionen schnell zu transportieren und so die effektive Wiederaufladerate zu erhöhen.
„In herkömmlichen Batterien […] haben Ionen einen mühsamen Weg zu den Ladungsspeicheranschlüssen, was nicht nur alles verlangsamt, sondern auch „Es entsteht eine Situation, in der nur sehr wenige Ionen bei schnellen Laderaten tatsächlich ihr Ziel erreichen“, so Maria Lukatskaya, Forscherin am Team, sagte. „Die ideale Elektrodenarchitektur wäre so etwas wie Ionen, die über mehrspurige Hochgeschwindigkeitsautobahnen zu den Häfen wandern, anstatt über einspurige Straßen. Unser makroporöses Elektrodendesign erreicht dieses Ziel und ermöglicht eine schnelle Aufladung – in der Größenordnung von wenigen Sekunden oder weniger.“
Das Endergebnis könnte ein Akku sein, dessen vollständiges Aufladen nur „zig Millisekunden“ benötigt, statt Minuten oder Stunden. Yuri Gogotsi, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, sagte, dass die Anwendung von MXene in der realen Welt zu Verbesserungen führen könnte Laptop-Batterien Und Elektroauto Batterien. „Wenn wir beginnen, niederdimensionale und elektronisch leitende Materialien als Batterieelektroden zu verwenden, können wir Batterien viel, viel schneller als heute arbeiten lassen“, sagte er. „Letztendlich wird die Erkenntnis dieser Tatsache dazu führen, dass wir Auto-, Laptop- und Mobiltelefonbatterien entwickeln können, die viel schneller aufgeladen werden können – Sekunden oder Minuten statt Stunden.“
Mxene ist noch nicht kommerziell nutzbar – Gogotsi schätzt, dass es noch mindestens drei Jahre dauern wird, bis es seinen Weg in Massenprodukte findet Handy-Akkus. Aber das Team ist bestrebt, in naher Zukunft neue Anwendungen zu erforschen.
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