Исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы добились больших успехов в области хранения возобновляемой энергии, используя лазерные импульсы для улучшения материала электродов MXene. Традиционный MXene со временем разлагается, в первую очередь из-за образования оксида молибдена. Однако с появлением наноточек, обработанных лазером, MXene продемонстрировала более сильные возможности литиевого хранения и более высокую скорость зарядки. Примечательно, что в ходе испытаний материал достиг четырехкратного увеличения емкости хранения, сравнимой с графитом, без какой-либо потери емкости.
Исследователи использовали лазерные импульсы для улучшения свойств электродов MXene, создавая потенциальный прорыв в технологии перезаряжаемых батарей, который может превзойти традиционные литий-ионные батареи.
Поскольку мировое общество обращается к возобновляемым источникам энергии, таким как солнечная и ветровая энергия, спрос на высокопроизводительные перезаряжаемые батареи растет. Эти батареи имеют решающее значение для хранения энергии из прерывистых возобновляемых источников энергии. Хотя сегодняшние литий-ионные аккумуляторы эффективны, им еще есть куда совершенствоваться. Разработка новых материалов электродов является одним из способов улучшения их характеристик.
ZahraBayhan разрабатывает батареи, содержащие MXenes, которые могут заменить графит в некоторых батареях благодаря своей превосходной проводимости. Источник изображения: ©2023KAUST;Анастасия Серин
MXene: перспективный материал для электродов
Исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) показали, как лазерные импульсы можно использовать для изменения структуры многообещающего альтернативного электродного материала под названием MXene, тем самым улучшая его энергоемкость и другие ключевые свойства. Исследователи надеются, что эта стратегия поможет разработать более качественные анодные материалы для батарей следующего поколения.
Графит содержит плоские слои атомов углерода, и во время зарядки аккумулятора атомы лития сохраняются между этими слоями — процесс, называемый интеркаляцией. MXenes также содержат слои, которые могут вмещать литий, но эти слои состоят из переходных металлов, таких как титан или молибден, в сочетании с атомами углерода или азота, что делает материал очень проводящим. Поверхности этих слоев также содержат другие атомы, такие как кислород или фтор. MXenes на основе карбида молибдена обладают особенно хорошими способностями к хранению лития, но их производительность быстро ухудшается после повторяющихся циклов зарядки-разрядки.
Решение проблем снижения производительности
Исследовательская группа под руководством Хусама Н. Альшарифа и аспиранта Захры Байхан обнаружила, что эта деградация вызвана химическими изменениями в структуре MXene, которые образуют оксид молибдена.
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали инфракрасные лазерные импульсы для формирования небольших «наноточек» карбида молибдена внутри MXene — процесс, известный как лазерное скрайбирование. Эти наноточки имеют ширину около 10 нанометров и соединены со слоем MXene через углеродный материал.
Это дает несколько преимуществ. Во-первых, наноточки обеспечивают дополнительную емкость для хранения лития и ускоряют процесс зарядки и разрядки. Лазерная обработка также снижает содержание кислорода в материале, помогая предотвратить образование проблемного оксида молибдена. Наконец, прочная связь между наноточками и слоями улучшает проводимость MXene и стабилизирует его структуру во время зарядки и разрядки. Это обеспечивает экономичный и быстрый способ настройки производительности аккумулятора.
Профессора Захра Байхан и Хусам Альшариф считают, что лазерное скрайбирование можно использовать в качестве общей стратегии для улучшения производительности других MXenes. Источник изображения: ©2023KAUST;Анастасия Серин
Многообещающие результаты и будущие применения
Аноды, изготовленные из этого материала с лазерной маркировкой, были протестированы на 1000 циклов зарядки-разрядки литий-ионных аккумуляторов. Примечательно, что материал с добавленными наноточками увеличил свою емкость хранения электроэнергии в четыре раза по сравнению с немодифицированным MXene, почти достигнув теоретической пиковой емкости графита. Более того, модифицированный лазером материал сохранял свою полную мощность на протяжении всего этапа испытаний.
Исследовательская группа считает, что лазерное скрайбирование можно использовать в качестве общей стратегии для улучшения производительности других MXenes. Это может помочь в разработке нового поколения перезаряжаемых батарей, например, с использованием более дешевых и более распространенных металлов, чем литий. «В отличие от графита, MXenes также могут включать в себя ионы натрия и калия», — объясняет Альшариф.