När världen övergår till förnybara energikällor som sol och vind, finns det ett växande behov av högpresterande uppladdningsbara batterier för att lagra energin som genereras av denna intermittenta energikälla. Dagens litiumjonbatterier är bra, men deras prestanda behöver fortfarande förbättras; att utveckla nya elektrodmaterial är ett sätt att förbättra deras prestanda.
KAUST-forskare har demonstrerat användningen av laserpulser för att modifiera strukturen hos ett lovande alternativt elektrodmaterial känt som MXene, vilket ökar dess energikapacitet och andra nyckelegenskaper. Deras resultat publiceras i tidskriften Small . Forskarna hoppas att denna strategi kan hjälpa till att konstruera ett förbättrat anodmaterial i nästa generations batterier.
Grafit innehåller platta lager av kolatomer, och under batteriladdning lagras litiumatomer mellan dessa lager i en process som kallas interkalering. MXener innehåller också lager som kan rymma litium, men dessa lager är gjorda av övergångsmetaller som titan eller molybden bundna till kol- eller kväveatomer, vilket gör materialet högledande.
Ytorna på skikten har också ytterligare atomer som syre eller fluor. MXener baserade på molybdenkarbid har särskilt bra litiumlagringskapacitet, men deras prestanda försämras snart efter upprepade laddnings- och urladdningscykler.
Teamet, ledd av Husam N. Alshareef och Ph.D. student Zahra Bayhan, upptäckte att denna nedbrytning orsakas av en kemisk förändring som bildar molybdenoxid i MXenens struktur.
För att ta itu med detta problem använde forskarna infraröda laserpulser för att skapa små "nanoprickar" av molybdenkarbid i MXene, en process som kallas laserritning. Dessa nanoprickar, ungefär 10 nanometer breda, var kopplade till MXenes lager med kolmaterial.
Detta ger flera fördelar. För det första ger nanodotterna ytterligare lagringskapacitet för litium och påskyndar laddnings- och urladdningsprocessen. Laserbehandlingen minskar också materialets syrehalt, vilket hjälper till att förhindra bildning av problematisk molybdenoxid. Slutligen förbättrar starka kopplingar mellan nanodotterna och lagren MXenens konduktivitet och stabiliserar dess struktur under laddning och urladdning. "Detta ger ett kostnadseffektivt och snabbt sätt att justera batteriprestanda", säger Bayhan.
Forskarna gjorde en anod av det laserritade materialet och testade den i ett litiumjonbatteri över 1000 laddnings-urladdningscykler. Med nanodotterna på plats hade materialet en fyra gånger högre elektrisk lagringskapacitet än den ursprungliga MXene och nådde nästan den teoretiska maximala kapaciteten för grafit. Det laserritade materialet visade inte heller någon kapacitetsförlust under cykeltestet.
Forskarna tror att laserritning kan användas som en allmän strategi för att förbättra egenskaperna hos andra MXener. Detta skulle kunna bidra till att utveckla en ny generation laddningsbara batterier som använder billigare och mer rikliga metaller än till exempel litium. "Till skillnad från grafit kan MXener också interkalera natrium- och kaliumjoner", förklarar Alshareef.
Mer information: Zahra Bayhan et al, A Laser-Induced Mo2 CTx MXene Hybrid Anod för högpresterande Li-Ion-batterier, Små (2023). DOI:10.1002/smll.202208253
Journalinformation: Liten
Tillhandahålls av King Abdullah University of Science and Technology
