İyonların İzlenmesine Yönelik Yeni Yaklaşım, Enerji Depolamayı İyileştirecek
Fotoğraf: Yeşil ile gösterilen yüklü iyonlar, mavi ve kahverengi noktalar olarak gösterilen, ancak bulunması zor olan çok ince MXene katmanlarına taşınır. İyonların izlenmesine yönelik yeni bütüncül yaklaşım, iyileştirilmiş enerji depolama cihazlarının geliştirilmesi için faydalı olması gereken bilgileri sağladı.
ABD Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki (ORNL) araştırmacılar tarafından yönetilen bir ekip, ultra ince bir malzeme içinde enerji taşıyan iyonları izlemek için yeni ve entegre bir yaklaşım geliştirdi. Malzemenin enerji depolama potansiyelinin kilidini açarak, bu yaklaşım daha hızlı şarj olan, daha uzun ömürlü cihazlar üretmeye yardımcı olabilir. Ekip, bulgularını Energy & Environmental Science dergisindeki bir makalede rapor ediyor .
Bilim adamları, MXenes olarak bilinen ve “max-eens” olarak telaffuz edilen, yalnızca birkaç atom kalınlığındaki katmanlar halinde inşa edilen, ortaya çıkan iki boyutlu (2D) malzemeler sınıfının enerji depolama olasılıklarını on yıldır incelediler.
ORNL liderliğindeki ekip, deneysel verilerin hesaplamalı modellemesinden elde edilen teorik verileri entegre ederek, en çok incelenen MXene fazı olan titanyum karbürdeki çeşitli yüklü iyonların potansiyel konumlarını belirleyebildiklerini keşfetti. Bu bütünsel yaklaşım sayesinde, iyonların hareketini ve davranışını tek atomdan cihaz ölçeğine kadar izleyip analiz edebildiler.
ORNL’den makalenin ortak yazarı Nina Balke, “Kullandığımız tüm yöntemleri karşılaştırarak, teori ile farklı malzeme karakterizasyonu türleri arasında, çok basitten çok karmaşığa, çok çeşitli uzunluk ve zaman ölçeklerinde bağlantılar kurmayı başardık.” dedi.
“Katmanlı MXene elektrotlarında iyon depolamanın nasıl çalıştığını anlamak için tüm bu bağlantıları bir araya getirdik,” diye ekledi. Çalışmanın sonuçları, ekibin malzemenin kapasitesini veya enerji depolama yeteneğini tahmin etmesine izin verdi. “Ve sonunda, uzun tartışmalardan sonra, tüm bu teknikleri tek bir tutarlı resimde birleştirmeyi başardık, ki bu gerçekten harika.”
Katmanlı malzemeler enerji depolamayı ve güç dağıtımını geliştirebilir çünkü katmanlar arasındaki boşluklar yüklü parçacıkların veya iyonların serbestçe ve hızlı hareket etmesine izin verir. Bununla birlikte, iyonların, özellikle birden fazla işlemin çalıştığı sınırlı bir ortamda tespit edilmesi ve karakterize edilmesi zor olabilir. Bu süreçlerin daha iyi anlaşılması, lityum iyon pillerin ve süper kapasitörlerin enerji depolama potansiyelini geliştirebilir.
Ekip, kısa vadeli, yüksek güçlü enerji ihtiyaçları için hızlı şarj olan cihazlar olan süper kapasitörlerin geliştirilmesine odaklandı. Buna karşılık, lityum iyon piller daha yüksek enerji kapasitesine sahiptir ve daha uzun süre elektrik gücü sağlayabilir, ancak deşarj oranları – ve dolayısıyla güç seviyeleri – daha düşüktür.
Balke, MXen’lerin süper kapasitörler ve lityum iyon piller arasında bir köprü görevi görme potansiyeline sahip olduğunu ve daha büyük, daha verimli enerji depolama kapasitesine sahip hızlı şarj cihazları ürettiğini söyledi. Bu, elektronikten elektrikli araç akülerine kadar bir dizi uygulamaya fayda sağlayacaktır.
Ekip, hesaplamalı modellemeyi kullanarak, sulu bir çözelti veya “su kabuğu” içinde hapsedilmiş MXene katmanları içindeki beş farklı yüklü iyonun koşullarını simüle etti. Bu teorik model basittir, ancak deneysel verilerle birleştirildiğinde, MXene katmanlarındaki iyonların nereye gittiğine ve karmaşık bir ortamda nasıl davrandıklarına dair kanıt sağlayan bir temel oluşturdu.
ORNL teorisyeni ve ortak yazar Paul Kent, “Şaşırtıcı bir sonuç, simülasyon sınırları içinde farklı iyonlar için farklı davranışlar görebiliyor olmamızdı” dedi.
Ekip, entegre yaklaşımlarının bilim adamlarını gelecekteki MXene çalışmalarına yönlendirebileceğini umuyor. “Geliştirdiğimiz şey ortak bir model. Belirli bir MXene kullanan bir deneyden biraz veri elde edersek ve bir iyonun kapasitansını bilseydik, diğer iyonlar için bunu tahmin edebiliriz, ki bu bizim önceden yapamadığımız bir şeydi,” dedi Kent.
“Sonunda, bu davranışları malzemenin özelliklerindeki daha gerçek dünyaya ait, gözlenebilir değişikliklere kadar izleyebileceğiz” diye ekledi.
Kaynak: materialstoday.com
