بررسی رفتار یون‌ها در الکترودهای باتری‌ها و خازن‌ها

محققان آزمایشگاه ملی اوک‌ریج با استفاده از روش میکروسکوپی درجا و محاسبات نظری به بررسی خواص نسل جدید ادوات ذخیره‌سازی انرژی در ابرخازن‌ها و باتری‌ها پرداختند.
این گروه تحقیقاتی با استفاده از تجهیزات موجود در مرکز نانوفاز این آزمایشگاه به ویژه میکروسکوپ روبشی پیمایشی، برای اولین بار موفق به بررسی نانومقیاس جریان یون‌ها و نفوذ آنها در لایه‌های دو بعدی نانومقیاس الکترودها شدند. بررسی این مهاجرت برای‌ درک بهتر چگونگی ذخیره‌سازی انرژی در الکترودها اهمیت دارد.
یوری گوگوتسی از محققان این پروژه می‌گوید: « ما روشی برای مطالعه محیط‌های سیال ارائه کردیم که با استفاده از آن می‌توان یون‌هایی را که وارد فضای بین لایه‌ای می‌شوند، رصد کرد. اطلاعات بسیار اندکی درباره چگونگی این فرآیند وجود دارد.»
بالک از محققان این پروژه می‌گوید: «پیش از این، خواص ذخیره‌سازی انرژی با استفاده از میکروسکوپ در مقیاس‌های بسیار کوچک مطالعه شده‌است اما هنوز اطلاعاتی درباره این که در مقیاس نانومتری این یون‌ها در لایه فعال الکترود چه رفتاری دارند، بدست نیامده است.»
الکترودی که محققان در این پروژه مورد مطالعه قرار دادند MXene نام دارد که یک الکترود دو‌بعدی است که از ترکیبات فلزات انتقالی ساخته شده‌است. این فلزات میان دو لایه از جنس کربن یا نیتروژن قرار می‌گیرد که در نهایت ساختاری شبیه به گرافیت بدست می‌آید که به آن MXene گفته می‌شود.
این ساختار می‌تواند بار الکتریکی زیادی را در خود ذخیره کند. جرمی کام از محققان این پروژه می‌گوید: « برهم‌کنش و انتقال بار در این ساختار از اهمیت بالایی برخوردار است. فرآیند جذب یون‌ها پدیده جالب توجهی بوده که با میکروسکوپ پیمایشی روبشی مورد مطالعه قرار گرفته است.»
این گروه تحقیقاتی به بررسی تغییرات ساختاری الکترود زمانی که یون‌ها وارد آن می‌شوند، پرداختند. رابطه مستقیمی میان الگوهای نفوذ یون‌ها و سفتی الکترود مشاهده شد. در این پروژه محققان فرآیند مربوط به وارد شدن یون‌ها به داخل الکترود را بررسی کردند. مزیت این روش تحقیقاتی در این است که بررسی روی الکترود به‌صورت درجا (In Situ) انجام شده‌است.