Univerzita vědy a technologie krále Abdullaha (KAUST) nedávno představila výsledky studie, která může pomoci zlepšit anodové materiály pro baterie nové generace.
Podle zprávy KAUST prokázal použitílaserové pulsy k modifikaci struktury slibného alternativního elektrodového materiálunazvaný „MXene“, aby se zlepšila jeho energetická kapacita a další klíčové vlastnosti.
Ve studii vědci vysvětlili, že grafit obsahuje ploché vrstvy atomů uhlíku a během nabíjení baterie se mezi těmito vrstvami ukládají atomy lithia v procesu známém jako „embedding“. Struktura materiálu "MXene" obsahuje také vrstvy, které mohou držet lithium, ale tyto vrstvy jsou vyrobeny z přechodných kovů, jako je titan nebo molybden v kombinaci s atomy uhlíku nebo dusíku, díky čemuž je materiál vysoce vodivý.
Tyto vrstvy mají na svém povrchu také další atomy, jako je kyslík nebo fluor. Struktura materiálu „MXene“ na bázi karbidu molybdenu má obzvláště dobrou kapacitu pro ukládání lithia, ale jeho výkon se také rychle zhoršuje po opakovaných cyklech nabíjení/vybíjení.
Tým KAUST vedený Husamem N. Alshareefem a Zahrou Bayhanovou zjistil, že tato degradace je způsobena chemickými změnami ve struktuře MXene, které tvoří oxid molybdenu.
K vyřešení tohoto problému použili infračervené laserové pulsy k vytvoření malých „nanoteček“ karbidu molybdenu ve struktuře materiálu „MXene“, což je proces známý jako „laserové rýhování. Proces se nazývá „laserové rýhování“. Tyto nanotečky, které jsou široké asi 10 nanometrů, jsou připojeny k vrstvám struktury MXene uhlíkem.
To nabízí několik výhod: Za prvé, nanotečky poskytují další úložnou kapacitu pro lithium a urychlují proces nabíjení a vybíjení. Ošetření laserem také snižuje obsah kyslíku v materiálu, čímž pomáhá předcházet vzniku problematických oxidů molybdenu. A konečně, pevné spojení mezi nanotečkami a vrstvami zlepšují elektrickou vodivost struktury materiálu „MXene“ a stabilizují ji během procesu nabíjení a vybíjení.
V tiskovém prohlášení Bayhan řekl: "Toto poskytuje nákladově efektivní a rychlý způsob, jak vyladit výkon baterií."
Vědci vyrobili anodu s laserem popsaným materiálem a testovali ji v lithium-iontové baterii s více než 1,000 cyklem nabití a vybití. S nanobodkami byla elektrická akumulační kapacita materiálu čtyřikrát vyšší než u původního MXene a téměř dosáhla teoretické maximální kapacity grafitu. Laserem popsaný materiál také nevykazoval žádnou ztrátu kapacity v cyklických testech.
Ve světle těchto výsledků se domnívají, že laserový popis by mohl být použit jako obecná strategie ke zlepšení výkonu jiných materiálových struktur „MXenes“. To by mohlo například vést k vývoji nové generace dobíjecích baterií využívajících levnější a hojnější kov než lithium. Kromě toho, na rozdíl od grafitu, mohou být materiálové struktury MXenes zapuštěny také sodíkovými a draselnými ionty.
