Laserpulser kan hjälpa till att utveckla nästa generations högkapacitetsbatterier

Nyligen har King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) presenterat ett forskningsresultat som kan bidra till att förbättra anodmaterialet för nästa generations batterier.
Det rapporteras att KAUST demonstrerade användningen av laserpulser för att modifiera strukturen av ett potentiellt alternativt elektrodmaterial som kallas "MXene" för att förbättra dess energikapacitet och andra nyckelegenskaper.
I studien förklarade forskarna att grafit innehåller platta lager av kolatomer, och under batteriladdning lagras litiumatomer mellan dessa lager i en process som kallas "inbäddning". Strukturen i "MXene"-materialet innehåller också lager som kan hålla litium, men dessa lager är gjorda av övergångsmetaller som titan eller molybden kombinerat med kol- eller kväveatomer, vilket gör materialet mycket ledande.
Dessa lager har också ytterligare atomer, såsom syre eller fluor, på sina ytor. Den molybdenkarbidbaserade "MXene" materialstrukturen har en särskilt bra litiumlagringskapacitet, men dess prestanda försämras också snabbt efter upprepade laddnings-/urladdningscykler.
KAUST-teamet, ledd av Husam N. Alshareef och Zahra Bayhan, fann att denna nedbrytning orsakas av kemiska förändringar i MXene-strukturen som bildar molybdenoxid.
För att lösa detta problem använde de infraröda laserpulser för att skapa små "nanodots" av molybdenkarbid i strukturen av "MXene"-materialet, en process som kallas "laser scribing. Processen kallas "laser scribing. Dessa nanoprickar, som är cirka 10 nanometer breda, är fästa på lagren i MXene-strukturen med kol.
Detta ger flera fördelar: För det första ger nanodotterna ytterligare lagringskapacitet för litium och påskyndar laddning och urladdning. Laserbehandlingen minskar också syrehalten i materialet, vilket hjälper till att förhindra bildandet av problematiska molybdenoxider. Slutligen förbättrar de starka kopplingarna mellan nanodopparna och skikten den elektriska ledningsförmågan hos "MXene"-materialstrukturen och stabiliserar den under laddnings- och urladdningsprocessen.
I ett pressmeddelande sa Bayhan: "Detta ger ett kostnadseffektivt och snabbt sätt att ställa in batteriernas prestanda."
Forskarna gjorde en anod med det laserinskrivna materialet och testade den i ett litiumjonbatteri med mer än 1,000 laddnings-urladdningscykler. Med nanodotterna var materialets elektriska lagringskapacitet fyra gånger högre än den ursprungliga MXene, och nådde nästan den teoretiska maximala kapaciteten för grafit. Det laserinskrivna materialet visade inte heller någon kapacitetsförlust i cykeltesterna.
Mot bakgrund av dessa resultat tror de att laserinskription kan användas som en allmän strategi för att förbättra prestandan hos andra "MXenes" materialstrukturer. Detta kan till exempel leda till utvecklingen av en ny generation laddningsbara batterier som använder en billigare och mer riklig metall än litium. Dessutom, till skillnad från grafit, kan MXenes materialstrukturer också vara inbäddade med natrium- och kaliumjoner.