Niedawno King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) przedstawił wyniki badań, które mogą pomóc w ulepszeniu materiałów anodowych do akumulatorów nowej generacji.
Według raportu KAUST zademonstrował użycieimpulsów laserowych do modyfikowania struktury obiecującego alternatywnego materiału elektrodowegoo nazwie „MXene”, aby poprawić swoją pojemność energetyczną i inne kluczowe właściwości.
W badaniu naukowcy wyjaśnili, że grafit zawiera płaskie warstwy atomów węgla, a podczas ładowania baterii atomy litu są przechowywane między tymi warstwami w procesie znanym jako „osadzanie”. Struktura materiału „MXene” zawiera również warstwy, które mogą pomieścić lit, ale warstwy te są wykonane z metali przejściowych, takich jak tytan lub molibden, połączonych z atomami węgla lub azotu, co sprawia, że materiał jest wysoce przewodzący.
Warstwy te mają również na swojej powierzchni dodatkowe atomy, takie jak tlen czy fluor. Struktura materiału „MXene” na bazie węglika molibdenu ma szczególnie dobrą zdolność magazynowania litu, ale jego wydajność również szybko się pogarsza po powtarzających się cyklach ładowania/rozładowania.
Zespół KAUST, kierowany przez Husama N. Alshareefa i Zahrę Bayhan, odkrył, że ta degradacja jest spowodowana zmianami chemicznymi w strukturze MXenu, która tworzy tlenek molibdenu.
Aby rozwiązać ten problem, wykorzystali impulsy lasera na podczerwień do stworzenia małych „nanokropek” węglika molibdenu w strukturze materiału „MXene” w procesie znanym jako „rysowanie laserowe”. Te nanokropki o szerokości około 10 nanometrów są przyczepione do warstw struktury MXene za pomocą węgla.
Daje to kilka korzyści: po pierwsze, nanokropki zapewniają dodatkową pojemność magazynowania litu i przyspieszają proces ładowania i rozładowywania. Obróbka laserowa zmniejsza również zawartość tlenu w materiale, pomagając zapobiegać tworzeniu się problematycznych tlenków molibdenu. Wreszcie silne połączenia między nanokropkami a warstwami poprawiają przewodnictwo elektryczne struktury materiału „MXene” i stabilizują ją podczas procesu ładowania i rozładowywania.
W oświadczeniu prasowym Bayhan powiedział: „Zapewnia to opłacalny i szybki sposób na dostrojenie wydajności akumulatorów”.
Naukowcy wykonali anodę z materiału zapisanego laserowo i przetestowali ją w akumulatorze litowo-jonowym z więcej niż 1,000 cyklami ładowania-rozładowania. W przypadku nanokropek pojemność elektryczna materiału była czterokrotnie wyższa niż w przypadku oryginalnego MXene, prawie osiągając teoretyczną maksymalną pojemność grafitu. Materiał z napisem laserowym również nie wykazał utraty pojemności w testach cyklicznych.
W świetle tych wyników uważają, że napisy laserowe można wykorzystać jako ogólną strategię poprawy wydajności innych struktur materiałowych „MXenes”. Może to na przykład doprowadzić do opracowania nowej generacji akumulatorów wykorzystujących tańszy i występujący w większej ilości metal niż lit. Ponadto, w przeciwieństwie do grafitu, struktury materiału MXenes mogą być również osadzone w jonach sodu i potasu.
