پژوهشگران به بررسی امکان استفاده از ترکیبات MXene در ابرخازن‌ها پرداختند و در این مسیر سه نوع مختلف از این ساختارها را با هم مقایسه کردند تا گزینه مناسب‌تر برای استفاده در ابرخازن‌ها را معرفی کنند. این گروه به جای لیتیوم که ترکیب گران‌قیمتی است، از پتاسیم در پروژه خود استفاده کردند.
دستیابی به عملکرد بالاتر با باتری یون پتاسیم حاوی MXene
ابرخازن‌ها به عنوان جایگزینی برای باتری‌های لیتیوم یون در حال ظهور هستند و چگالی توان بالاتر و طول عمر بیشتری را ارائه می دهند. ابرخازن در جایی بین باتری (با توان ذخیره انرژی بالا) و خازن معمولی (با توان دشارژ سریع) قرار دارد.
تحقیقات جدید محققان دانشگاه سیتی هنگ کنگ که در Nano Research Energy منتشر شده است، عملکرد فوق‌العاده خازن ساخته شده با ترکیبات MXene را نشان می‌دهد. MXenها ترکیبات معدنی دوبعدی هستند که سطح مولکولی بزرگ برای ذخیره انرژی به آنها رسانایی و ظرفیت ذخیره‌سازی فوق‌العاده بالایی می‌دهد.
ابرخازن‌ها می‌توانند انرژی زیادی را در یک فضای کوچک ذخیره کرده و آن را با جریان بالا آزاد کنند. به عنوان مثال، آنها می‌توانند الکتریسیته مورد نیاز دستگاه‌های کوچک مانند لوازم الکترونیکی پوشیدنی را تامین کنند. با این حال، هنگامی که ابرخازن‌ها با مولکول‌های آلی ساخته می‌شوند، خطر آتش گرفتن دارند.
این مطالعه جدید ابرخازن‌های ساخته شده با مولکول‌های غیر آلی MXene را برای کاهش خطر آتش‌سوزی مورد بررسی قرار داده است. آنها به جای لیتیوم که ترکیب گران‌قیمتی است، از پتاسیم استفاده کردند. یون پتاسیم یا یون K یکی از الکترولیت‌هایی است که اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرد تا جریان الکتریکی را در باتری جریان دهد. گوجین لیانگ، نویسنده اصلی مقاله و محقق از دپارتمان علوم و مهندسی مواد می‌گوید که آنها ابرخازن‌های آبی را با استفاده از الکترولیت‌های ایمن مبتنی بر آب و تمرکز بر ذخیره‌سازی یون K، که ارزان‌تر و فراوان‌تر است، بررسی کرده‌اند.
ترکیبات MXenes از لایه‌هایی به ضخامت چند اتم از فلزات واسطه مانند کاربیدهای فلزی، نیتریدها یا کربنیتریدها تشکیل شده‌اند. آنها دارای خواص الکتریکی انتقال کارآمد الکترون در سراسر لایه کاربید فلزی رسانا و همچنین دارای سطح فلزی عالی برای واکنش‌های ردوکس (انتقال الکترون) هستند.
از بین MXen های مختلف، این مطالعه سه مورد را برای مقایسه عملکرد انتخاب کرد. Xinliang Li، زینلیانگ لی، نویسنده اصلی این مقاله از دپارتمان علوم و مهندسی مواد، می‌گوید: «با مقایسه عملکرد ذخیره‌سازی K-ion در سه گونه از MXene، ما می‌خواهیم رابطه بین ساختار و عملکرد ذخیره‌سازی K-ion را در این ترکیبات شناسایی کنیم.»
سه الکترود MXene یا رسانای الکتریکی Nb2C، Ti2C و Ti3C2 برای رفتارهای الکتروشیمیایی آنها، از جمله شیمی نحوه وارد شدن یون‌های K به لایه‌های MXene و همچنین نحوه چسبیدن یون‌ها به سطوح فلزی، مورد بررسی قرار گرفتند. محققان ابرخازن‌ها را از نظر مکانیسم ذخیره‌سازی، ظرفیت، عملکرد سرعت و عملکرد چرخه‌ای ارزیابی کردند.
خازن K-ion با Nb2C MXene با بالاترین چگالی توان (میزان تخلیه) ۲۳۳۶ وات بر کیلوگرم و چگالی انرژی (مقدار ذخیره شده) ۲۴٫۶ وات ساعت بر کیلوگرم، برجسته‌‌ترین عملکرد را داشت. در حالی که باتری‌های لیتیوم یون چگالی انرژی بالاتری نسبت به خازن‌ها دارند، چگالی توان آنها فقط بین ۲۵۰ تا ۳۴۰ وات بر کیلوگرم است. بنابراین، یک خازن K-ion با MXene می تواند انرژی ذخیره شده را سریع‌تر تخلیه کند. خازن با Nb2C MXene تقریباً ظرفیت کامل (۹۴٫۶٪) را پس از ۳۰۰۰۰ سیکل تخلیه ۵ آمپر بر گرم الکتریسیته حفظ کرد، برخلاف تقریباً ۵۰۰ چرخه‌ای که انتظار می‌رود یک باتری لیتیوم یون دوام بیاورد.
