科學家們發現了一種提高金屬管浮子流量計密度的新方法

能源部橡樹嶺國家實驗室，德雷塞爾大學及其同事的研究人員發現了一種創新方法，上海自動化儀表四廠可以提高稱為MXenes的導電二維（2D）陶瓷的能量密度，這是潛在的儲能材料。該研究的結果已在《自然能源》中進行了報道。

如今的電池取決于大部分電極中存儲的電荷，它們具有很高的能量存儲能力。但是，緩慢的充電速度往往會限制其在電動汽車和消費電子產品中的應用。稱為金屬管浮子流量計可能是未來的儲能支柱。這些金屬管浮子流量計能夠在其電極材料的表面存儲電荷，以便快速充電和放電。然而，目前，金屬管浮子流量計不具有電池的電荷存儲容量或能量密度。

Gogotsi與他的博士后研究員Xuehua Wang計劃了這項研究。

不同的端基，例如氟，氧或羥基，可以覆蓋各種MXene的表面。這些基團特別是與金屬管浮子流量計中存在的各種溶劑以及溶解的鹽有力地相互作用。電極與金屬管浮子流量計可以隨后提高存儲容量或提高充電速度。

Vlcek在UT和ORNL的聯合計算科學研究所進行研究

這項研究是FIRST（流體界面反應，結構和運輸）中心的一部分，該中心是一個由ORNL牽頭并得到DOE科學辦公室認可的能源前沿研究中心。FIRST研究研究了流體和固體界面之間的反應，以及在日常應用中傳輸能量的后果。

德雷克塞爾大學的Ke Li用母體“ MAX”陶瓷開發了碳化鈦MXene，該陶瓷包含鈦（用“ M”指定），鋁（“A”）和碳（“ X”），并且研究人員通過蝕刻鋁層，以形成五層MXene碳化鈦單層。

研究人員隨后將MXenes浸入了分子性質和結構差異很大的不同溶劑的鋰基金屬管浮子流量計中。帶有電荷的鋰離子很容易在MXene層之間整合自身。

通過透射電子顯微鏡揭示了材料在電化學實驗前后的結構完整性，同時通過拉曼光譜和X射線光電子能譜表征了金屬管浮子流量計和MXene表面之間MXene的組成和化學相互作用。

電化學測量表明，借助于導電性較低的金屬管浮子流量計可獲得非常高的電容（存儲的能量）。

這是一種奇怪且違反直覺的觀察，因為人們會期望一種經常使用的金屬管浮子流量計，該金屬管浮子流量計具有所有測試金屬管浮子流量計的非常大電導率，從而提供非常佳性能。

雖然原位 X射線衍射顯示出在使用乙腈進行充電和放電時MXene中間層間距的收縮和膨脹，但是在使用碳酸亞丙酯溶劑時沒有觀察到中間層間距的變化。后一種溶劑導致相對較高的電容。此外，還預期在離子的進入和離開時不會膨脹的電極將經受更大數量的充電-放電循環。

為了研究限制在MXene層中的金屬管浮子流量計介質的動力學，研究小組轉向中子散射，中子散射易受溶劑分子中存在的氫原子的影響。

非常后，Vlcek進行了分子動力學模擬，結果表明MXene表面，金屬管浮子流量計溶劑和鋰離子之間的相互作用強烈依賴于溶劑分子的極性，分子形狀和大小。上海自動化儀表四廠對于基于碳酸亞丙酯的金屬管浮子流量計，溶劑不會包圍鋰離子，因此會緊密堆積在MXene板之間。然而，在其他類型的金屬管浮子流量計中，當鋰離子攜帶溶劑分子進入電極時，它們會在充電時膨脹。人們認為，建模可能會指導即將來臨的電極-金屬管浮子流量計溶劑對的選擇。