Multifunctional 2D Materials (MXenes) for Energy Storage
- Reference number
- EM16-0004
- Start and end dates
- 180116-231231
- Amount granted
- 33 731 000 SEK
- Administrative organization
- Linköping University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
MXenes are a new family of multifunctional 2D metal carbides. This proposal springboards from our breakthrough discovery of vacancy ordered MXenes with record capacitances, and the fabrication of an all solid-state supercapacitor device exhibiting exceptional performance. Our goal is to develop MXene-based materials that enable devices combining the energy storage of batteries with the power delivery of supercapacitors. The program constitutes fundamental research targeting supercapacitors and ion capacitors, but also batteries, in close collaboration with Swedish industry. Materials will be tailored - from atomic to device level – using our true and tested theory-guided approach. Various MXenes will be created, functionalized and turned into electrodes, subject to (in situ, in operando) characterization in tailored electrolytes by synchrotron, electron and neutron techniques. Devices will be engineered and tested, to industrial scale aspects. Advancing in situ microscopy and modeling tools also constitute a strategic core facility of benefit for industry. The scientists in this proposal have a proven track record in directing SSF grants and programs, and form a strategic constellation by integrating leading experimental and theoretical research at LiU (materials physics), UU (materials chemistry), DU (materials engineering) and Swedish industries. This makes us uniquely positioned to make timely research breakthroughs for the next generation of energy storage devices.
Popular science description
Programmet MULTI2D erbjuder en för Sverige unik, excellent forskningsmiljö, som spänner över nyfikenhetsdriven grundforskning till tillämpningsnära studier och industrialisering. Vår vision är design av nya material på atomär skala och uppåt, som löser samhällsproblem inom främst energi och miljö. Forskningen drivs med aktiv industrisamverkan. De flesta av världens problem kring energiförsörjning och miljöhushållning står och faller med utveckling av material för att kunna ta tillvara på och utnyttja energi från förnyelsebara källor. Bland tekniska lösningar för att lagra energi finns så kallad elektrokemisk lagring. Exempel på detta är komponenter som kan lagra mycket energi (batterier), och komponenter som kan ladda/ladda ur sin energi snabbt (superkondensatorer). Ett hett forskningsområde idag är att försöka kombinera dessa egenskaper i en och samma komponent. Batterier finns i allt från bilar till bärbara datorer, medan superkondensatorer främst finns där hög effekt (snabbhet) är kritiskt, t.ex. för att ta tillvara på energi när ett fordon bromsar, i elnät, hissar, lyftkranar etc. MULTI2D ämnar bidra med att utveckla och skräddarsy nya tvådimensionella material, så kallade MXener, med sikte på att utveckla främst superkondensatorer med hög energitäthet. MXener är grafenlika karbider, och nyligen upptäckte vi att vi kan skapa vakanser i materialet, dvs tomrum istället för atomer, och att detta ger en rekordhög kapacitans. Vakanserna, i sin tur, minskar både vikt och volym, vilket är betydelsefullt för att skapa konkurrenskraftiga komponenter. Våra resultat hittills visar att MXener har en hög potential för att kunna kombinera hög kapacitans med snabbhet, och vi avser därför utveckla nästa generations tvådimensionella material för elektrokemisk lagring. Bakom detta initiativ står en ny konstellation av högt meriterade forskare med världsledande lab, samt nyckelrepresentanter från ledande svensk industri. Alla medverkande kompletterar varandra med spetskompetenser inom syntes, modellering, atomupplöst mikroskopi, ytfysik och elektrokemi, och förenas i ett tvärvetenskapligt arbetssätt med den industriella tillämpningen i fokus. För projektets utförande förfogar vi över den mest avancerade utrustning som står svenska materialforskare till hands inom synkrotronljus-, neutron- och elektronbaserade metoder. Samtidigt som projektet är inriktat på grundforskning, förutspår vi banbrytande upptäckter som snabbt kan leda till nya produkter för svensk industri.