Vật liệu nano MXene cung cấp khả năng lưu trữ năng lượng dung lượng cao linh hoạt và có thể kéo dài

Một số thiết bị điện tử có thể uốn cong, xoắn và kéo dài trong màn hình đeo được, ứng dụng y sinh và robot mềm. Trong khi mạch của các thiết bị này ngày càng trở nên mềm dẻo, pin và siêu tụ điện cung cấp năng lượng cho chúng vẫn còn cứng. Giờ đây, các nhà nghiên cứu trong ACS ‘ Nano Letters báo cáo về một siêu tụ điện linh hoạt với các điện cực làm bằng titan cacbua nhăn nheo – một loại vật liệu nano MXene – duy trì khả năng lưu trữ và giải phóng các điện tích sau khi kéo căng lặp đi lặp lại.

Một thách thức lớn mà các thiết bị điện tử co dãn phải vượt qua là tính chất cứng và không linh hoạt của các thành phần lưu trữ năng lượng, pin và siêu tụ điện của chúng. Siêu tụ điện sử dụng các điện cực được làm từ cacbua kim loại chuyển tiếp, cacbonit hoặc nitrit, được gọi là MXenes, có các đặc tính điện mong muốn cho các thiết bị linh hoạt di động, chẳng hạn như sạc và phóng điện nhanh chóng. Và cách mà các MXene 2D có thể tạo thành các bảng nano nhiều lớp cung cấp một diện tích bề mặt lớn để lưu trữ năng lượng khi chúng được sử dụng trong các điện cực. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu trước đây đã phải kết hợp polyme và các vật liệu nano khác để giữ cho các loại điện cực này không bị gãy khi bị uốn cong, điều này làm giảm khả năng lưu trữ điện của chúng. Vì vậy, Desheng Kong và các đồng nghiệp muốn xem liệu việc biến dạng màng titan cacbua nguyên sinh MXene thành các đường gờ giống như đàn accordion có duy trì các đặc tính điện của điện cực trong khi tăng thêm tính linh hoạt và khả năng co giãn cho siêu tụ điện hay không.

Các nhà nghiên cứu tan rã titan cacbua nhôm bột thành từng mảnh nhỏ với axit flohydric và chiếm được lớp tinh khiết nanosheets titan cacbua như một bộ phim khoảng kết cấu trên một bộ lọc. Sau đó, họ đặt bộ phim lên một miếng chất dẻo đàn hồi acrylic đã được kéo căng sẵn có kích thước giãn ra 800%. Khi các nhà nghiên cứu giải phóng polyme, nó co lại về trạng thái ban đầu, và các tấm nano dính chặt thành những nếp nhăn giống đàn accordion.

Trong các thí nghiệm ban đầu, nhóm nghiên cứu nhận thấy điện cực tốt nhất được làm từ một màng dày 3 µm có thể được kéo giãn và thả lỏng lặp đi lặp lại mà không bị hỏng và không làm thay đổi khả năng lưu trữ điện tích của nó. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu này để chế tạo siêu tụ điện bằng cách kẹp chất điện phân gel polyvinyl (rượu)-axit sulfuric giữa một cặp điện cực titan cacbua có thể co giãn. Thiết bị này có công suất năng lượng cao tương đương với các siêu tụ điện dựa trên MXene do các nhà nghiên cứu khác phát triển, nhưng nó cũng có khả năng co dãn cực cao lên đến 800% mà không bị nứt vỡ các tấm nano. Nó duy trì khoảng 90% khả năng lưu trữ năng lượng sau khi được kéo căng 1.000 lần, hoặc sau khi bị uốn cong hoặc xoắn. Các nhà nghiên cứu cho biết khả năng lưu trữ năng lượng tuyệt vời và độ ổn định điện của siêu tụ điện của họ rất hấp dẫn đối với các thiết bị lưu trữ năng lượng có thể kéo dãn và các hệ thống điện tử đeo được.

Tham khảo: “Điện cực MXene vụn cho siêu tụ điện siêu nhỏ và điện dung diện tích cao” của Shuxuan Feng, Xin Wang, Menglu Wang, Chong Bai, Shitai Cao và Desheng Kong, 8 tháng 9 năm 2021, Nano Letters .
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c02071

Các tác giả thừa nhận sự tài trợ từ Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm của Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Giang Tô của Trung Quốc, Quỹ Khoa học Sau Tiến sĩ Trung Quốc và Chương trình Tài năng Sáng tạo và Doanh nhân Cấp cao của tỉnh Giang Tô.

Theo Scitechdaily