Z punktu widzenia użytkownika baterii wielokrotnego użytku największym problemem jest czas, jaki zajmuje ich naładowanie. Jest to nie tylko niedogodność dla posiadaczy urządzeń przenośnych, ale także przyczyna niewielkiego zainteresowania samochodami elektrycznymi.

Zespół z uniwersytetu Drexel, kierowany przez profesora Yuri Gotosi, opracował jednak innowacyjną strukturę baterii opartych na dwuwymiarowych węglikach metali przejściowych (MXene), których grubość wynosi zaledwie kilka atomów. Baterie wykorzystujące elektrody wykonane z materiałów MXene uzyskują możliwość absorpcji pełnego ładunku w ciągu kilku sekund, zamiast kilku godzin. Artykuł opisujący szczegóły tego osiągnięcia został opublikowany w periodyku Nature Energy.

Architektura elektrod opartych na MXene wyróżnia się dwiema cechami.

Po pierwsze, podczas ładowania baterii naładowane elektrycznie jony wnikają w nią, szukając odpowiedniego miejsca dla siebie. MXene sprawia, że ta droga jest szybsza i łatwiejsza ze względu na tzw. makroporowatość – inaczej mówiąc, liczne otwory, przez które jon może łatwo dotrzeć do odpowiedniego miejsca w elektrodzie. Tam jest przechowywany w celu dalszego wykorzystania – gdy bateria będzie oddawać ładunek, zamiast go gromadzić.

Jak wyjaśnia Maria Lukstskaya, główna autorka publikacji w Nature Energy, „Idealną architekturą elektrody byłaby struktura, w której jony poruszają się do celu po wielopasmowej „autostradzie”, zamiast po pojedynczych ścieżkach. Nasza makroporowata elektroda uzyskuje ten efekt, co pozwala na błyskawiczne ładowanie – w czasie rzędu kilku sekund lub szybciej.”

Drugą szczególną cechą MXene jest to, że na danej przestrzeni może jednocześnie zachodzić więcej reakcji redoks. W rezultacie baterie zbudowane z elektrod MXene mogą przechowywać więcej ładunku przy takich samych rozmiarach i wadze.

Większość współczesnych baterii wykorzystuje substancje chemiczne do przechowywania energii. Materiał MXene, przedstawiony na obrazku powyżej, można opisać jako mikroskopijny „ser szwajcarski” z wieloma lokalizacjami dla jonów. Zastosowanie hydrożelu pozwala uzyskać większą skuteczność reakcji redoks, co przekłada się na zwiększenie pojemności baterii.

Materiał MXene pozwala na połączenie możliwości szybkiego ładowania i rozładowania superkondensatorów z możliwościami efektywnego przechowywania ładunku baterii. Profesor Gogotsi opisał to następująco: „Nasza publikacja podważa powszechnie przyjęty dogmat, iż substancje chemiczne przechowujące ładunek, używane w bateriach i kondensatorach pseudopojemnościowych, są zawsze dużo wolniejsze od nośników fizycznych w postaci dwuwarstwowych kondensatorów, zwanych superkondensatorami.”

Do tej pory wystąpiło wiele przypadków nieudanych rozwiązań dotyczących baterii i sytuacji, w których nowe pomysły okazywały się niemożliwe do skalowania, toteż nigdy nie opuściły laboratoriów. Technologia baterii stanowi wąskie gardło rozwoju bardzo wielu obszarów. Miejmy nadzieję, że tym razem ta innowacyjna technologia okaże się skuteczna.