Estrella emergente en el mundo de la energía
Desarrollo de electrodos de MXeno de alto rendimiento para la próxima generación de baterías potentes
El MXene bidimensional ha sido una estrella en ascenso en el mundo de la energía, ya que puede almacenar energía rápidamente. Pero su inestable producción de voltaje limita sus aplicaciones. Un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha desarrollado recientemente electrodos electroquímicos de MXeno Nb2CTx con una salida de tensión estable y una alta densidad de energía mediante una estrategia de barrido de alta tensión. Estos últimos descubrimientos pueden suponer un gran avance en la invención de la potente batería de la próxima generación.
El profesor Zhi Chunyi, de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, y su equipo desarrollaron electrodos electroquímicos de Nb2CTx MXene, el material negro del interior de la botella. Los "botones" plateados junto a la botella son pilas y en la parte posterior está el sistema de comprobación de las pilas.
City University of Hong Kong
La investigación fue dirigida conjuntamente por el profesor Zhi Chunyi y el profesor adjunto Dr. Fan Jun, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales (MSE). El catedrático Chen Furong, del MSE, también ha contribuido enormemente a esta investigación. Los resultados se han publicado en la revista científica Joule.
Estrella emergente en el mundo de la energía
El MXeno es una gran familia de nanomateriales bidimensionales, y ha sido el foco de investigación de los materiales 2D en el campo del almacenamiento de energía en la última década. Gracias a su excelente conductividad electrónica y a su gran superficie, el MXeno presenta una rápida redox superficial y demuestra un alto grado de almacenamiento de energía.
Sin embargo, el mayor reto del almacenamiento de energía de MXene es que todos los electrodos de MXene de los que se tiene constancia carecen de una meseta de tensión de descarga definida, lo que significa que se descargan con una tensión de salida que desciende rápidamente. Esta deficiencia deteriora la densidad energética del MXeno y la estabilidad de la salida de energía en las regiones de alto voltaje deseadas, lo que conduce a una densidad energética limitada, normalmente inferior a 100 Wh kg-1.
Para superar el problema de la inestabilidad de la salida de energía, el equipo de investigación dirigido por CityU desarrolló con éxito electrodos de Nb2CTx MXene de tipo batería. El equipo reveló las propiedades electroquímicas completamente diferentes del electrodo Nb2CTx MXene regulando las ventanas de tensión de 2,0V a 2,4V. Bajo un barrido de alto voltaje de hasta 2,4V, el electrodo Nb2CTx MXene mostró características típicas de las baterías, diferentes de las de bajo voltaje y de las de otros sistemas MXene previamente reportados.
Se muestran propiedades superiores al utilizar la estrategia de barrido de alto voltaje
Descubrieron que la batería de Nb2CTx/Zn podía mostrar una capacidad de velocidad superior, un rendimiento cíclico duradero y una alta densidad de energía bajo barrido de alto voltaje. Y lo que es más importante, consiguieron dotar a la MXene de una meseta de descarga plana y estable de 1,55 V para aumentar sus densidades energéticas. También se obtuvo una densidad energética récord entre todos los electrodos acuosos de Mxene de 146,7 Wh kg-1 con una contribución del 63% de la región de la meseta. Esto rompió el cuello de botella del rendimiento de los dispositivos de MXene.
"La ausencia de mesetas de tensión diferenciadas deteriora las capacidades y densidades energéticas de los electrodos de MXeno, lo que limita su potencial como baterías de alto rendimiento. Nuestro trabajo esboza con éxito una ruta eficaz para conseguir electrodos de MXeno de alta densidad energética con una meseta de tensión de descarga diferenciada a través de un enfoque de escaneo de alta tensión, que mejora drásticamente el rendimiento electroquímico de los electrodos de MXeno", dijo el profesor Zhi.
El profesor Zhi cree que los hallazgos inspirarán a más investigadores a explorar las propiedades electroquímicas no reveladas de la familia MXene. "Los MXenos bidimensionales, que se caracterizan por un rápido proceso redox superficial y un alto grado de almacenamiento de energía, tienen unas extraordinarias prestaciones de almacenamiento de energía. Con una salida de tensión estable y una densidad de energía muy mejorada, los dispositivos de almacenamiento de energía basados en MXene están un paso más cerca del objetivo de la aplicación práctica", dijo.
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