由能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新穎的集成方法，可以跟蹤超薄材料中的能量傳輸離子，從而可以釋放其儲(chǔ)能潛力，從而實(shí)現(xiàn)更快的充電，更持久的設(shè)備。

十年來，科學(xué)家們研究了新興的一類二維材料的能量存儲(chǔ)可能性，這些材料構(gòu)造成只有幾個(gè)原子厚的層，稱為MXenes，發(fā)音為“最大年齡”。

由ORNL領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)整合了來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算模型的理論數(shù)據(jù)，以查明研究最多的MXene相碳化鈦中各種帶電離子的潛在位置。通過這種整體方法，他們可以跟蹤和分析離子從單原子到器件尺度的運(yùn)動(dòng)和行為。

ORNL合著的Nina Balke說：“通過比較我們采用的所有方法，我們能夠在理論和不同類型的材料表征之間建立聯(lián)系，從非常簡單到非常復(fù)雜，范圍很廣。在流體界面反應(yīng)，結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)或FIRST中心內(nèi)進(jìn)行的已發(fā)表研究的結(jié)果。FIRST是美國能源部資助的能源前沿研究中心，位于ORNL。

她補(bǔ)充說：“我們將所有這些鏈接拉在一起，以了解離子存儲(chǔ)在多層MXene電極中的工作原理。” 研究結(jié)果使研究小組能夠預(yù)測材料的電容或其存儲(chǔ)能量的能力。“最后，經(jīng)過大量討論，我們能夠?qū)⑺羞@些技術(shù)統(tǒng)一為一張有凝聚力的圖片，這真的很酷。”

層狀材料可以增強(qiáng)存儲(chǔ)的能量和傳遞的功率，因?yàn)??層之間的間隙允許帶電粒子或離子自由，快速地移動(dòng)。但是，離子可能難以檢測和表征，特別是在具有多個(gè)過程的受限環(huán)境中。更好地理解這些過程可以提高鋰離子電池和超級電容器的儲(chǔ)能潛力。

作為FIRST中心項(xiàng)目，該團(tuán)隊(duì)專注于超級電容器的開發(fā)，超級電容器是為短期大功率能源需求快速充電的設(shè)備。相反，鋰離子電池具有較高的能量容量并提供更長的電能，但是放電速率以及因此其功率水平較低。

巴爾克說，MXenes有潛力彌合這兩個(gè)概念的優(yōu)勢，這是具有更大，更高效的儲(chǔ)能能力的快速充電設(shè)備的總體目標(biāo)。這將有益于從電子產(chǎn)品到電動(dòng)汽車電池的一系列應(yīng)用。

利用計(jì)算模型，該團(tuán)隊(duì)模擬了限制在水溶液或“水殼”內(nèi)的層中五個(gè)不同帶電離子的條件。理論模型很簡單，但是與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，它創(chuàng)建了一個(gè)基線，為MXene層中的離子流向何處以及它們在復(fù)雜環(huán)境中的行為提供了證據(jù)。

ORNL理論家和合著者保羅·肯特(Paul Kent)說：“一個(gè)令人驚訝的結(jié)果是，我們可以在模擬極限內(nèi)看到不同離子的不同行為。”

該小組希望他們的綜合方法可以指導(dǎo)科學(xué)家們進(jìn)行未來的MXene研究。“我們開發(fā)的是一個(gè)聯(lián)合模型。如果我們從使用某種MXene的實(shí)驗(yàn)中獲得了一些數(shù)據(jù)，并且如果我們知道一個(gè)離子的電容，那么我們就可以預(yù)測另一個(gè)離子的電容，那是我們以前沒有的?？咸卣f：“以前做不到。”

他補(bǔ)充說：“最終，我們將能夠?qū)⑦@些行為追溯到更真實(shí)的，可觀察到的材料特性變化中。”