Лазерные импульсы могут помочь в разработке аккумуляторов высокой емкости нового поколения

Недавно Университет науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) представил результаты исследования, которые могут помочь улучшить материал анода для батарей следующего поколения.
Сообщается, что KAUST продемонстрировал использование лазерных импульсов для модификации структуры потенциального альтернативного электродного материала под названием «MXene» для улучшения его энергоемкости и других ключевых свойств.
В ходе исследования ученые объяснили, что графит содержит плоские слои атомов углерода, и во время зарядки аккумулятора атомы лития сохраняются между этими слоями в процессе, известном как «встраивание». Структура материала «MXene» также содержит слои, способные удерживать литий, но эти слои состоят из переходных металлов, таких как титан или молибден, в сочетании с атомами углерода или азота, что делает материал высокопроводящим.
Эти слои также имеют на своей поверхности дополнительные атомы, такие как кислород или фтор. Структура материала «MXene» на основе карбида молибдена обладает особенно хорошей емкостью для хранения лития, но его характеристики также быстро ухудшаются после повторяющихся циклов зарядки/разрядки.
Команда KAUST под руководством Хусама Н. Альшарифа и Захры Байхан обнаружила, что эта деградация вызвана химическими изменениями в структуре MXene, которые образуют оксид молибдена.
Чтобы решить эту проблему, они использовали инфракрасные лазерные импульсы для создания небольших «наноточек» карбида молибдена в структуре материала «MXene». Этот процесс известен как «лазерное скрайбирование». Этот процесс называется «лазерное скрайбирование». Эти наноточки шириной около 10 нанометров прикреплены к слоям структуры MXene с помощью углерода.
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 проблемных оксидов молибдена. Наконец, прочные связи между наноточками и слоями улучшают электропроводность структуры материала «MXene» и стабилизируют ее в процессе зарядки и разрядки.
В заявлении для прессы Бэйхан заявил: «Это обеспечивает экономичный и быстрый способ настройки производительности батарей».
Исследователи изготовили анод из материала с лазерной надписью и протестировали его в литий-ионной батарее с более чем 1000 циклом зарядки-разрядки. Благодаря наноточкам электрическая емкость материала была в четыре раза выше, чем у оригинального MXene, почти достигая теоретической максимальной емкости графита. Материал с лазерной надписью также не показал потери мощности в ходе циклических испытаний.
В свете этих результатов они полагают, что лазерная надпись может быть использована в качестве общей стратегии для улучшения характеристик других материальных структур «MXenes». Это может, например, привести к разработке нового поколения перезаряжаемых батарей с использованием более дешевого и распространенного металла, чем литий. Кроме того, в отличие от графита, структуры материала MXenes также могут быть внедрены ионами натрия и калия.