Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν παλμούς λέιζερ για να βελτιώσουν τις ιδιότητες των ηλεκτροδίων του MXene, οδηγώντας σε μια πιθανή ανακάλυψη στην τεχνολογία επαναφορτιζόμενων μπαταριών που θα μπορούσε να ξεπεράσει τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Καθώς η παγκόσμια κοινότητα στρέφεται προς τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η ηλιακή και η αιολική ενέργεια, η ζήτηση για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες υψηλής απόδοσης εντείνεται. Αυτές οι μπαταρίες είναι απαραίτητες για την αποθήκευση ενέργειας από διακοπτόμενες ανανεώσιμες πηγές. Ενώ οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι αποτελεσματικές, υπάρχει περιθώριο βελτίωσης. Η ανάπτυξη νέων υλικών ηλεκτροδίων είναι ένας τρόπος βελτίωσης της απόδοσής τους.
MXene: Ένα πολλά υποσχόμενο υλικό ηλεκτροδίου
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης & Τεχνολογίας King Abdullah (KAUST) έχουν δείξει τη χρήση παλμών λέιζερ για την τροποποίηση της δομής ενός πολλά υποσχόμενου υλικού εναλλακτικού ηλεκτροδίου γνωστού ως MXene, ενισχύοντας την ενεργειακή του ικανότητα και άλλες βασικές ιδιότητες. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτή η στρατηγική θα μπορούσε να βοηθήσει στη δημιουργία ενός βελτιωμένου υλικού ανόδου στις μπαταρίες επόμενης γενιάς.
Διαβάστε επίσης: Η τεχνολογία των αόρατων φυτών των προϊστορικών Φιλιππίνων
Ο γραφίτης περιέχει επίπεδα στρώματα ατόμων άνθρακα και κατά τη φόρτιση της μπαταρίας, τα άτομα λιθίου αποθηκεύονται μεταξύ αυτών των στρωμάτων σε μια διαδικασία που ονομάζεται παρεμβολή. Τα MXenes περιέχουν επίσης στρώματα που μπορούν να φιλοξενήσουν λίθιο, αλλά αυτά τα στρώματα είναι κατασκευασμένα από μέταλλα μετάπτωσης όπως το τιτάνιο ή το μολυβδαίνιο συνδεδεμένα με άτομα άνθρακα ή αζώτου, τα οποία κάνουν το υλικό εξαιρετικά αγώγιμο. Οι επιφάνειες των στρωμάτων διαθέτουν επίσης πρόσθετα άτομα όπως οξυγόνο ή φθόριο. Τα MXenes με βάση το καρβίδιο του μολυβδαινίου έχουν ιδιαίτερα καλή ικανότητα αποθήκευσης λιθίου, αλλά η απόδοσή τους υποβαθμίζεται σύντομα μετά από επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης.
Μάθετε πώς οι ερευνητές της KAUST βοηθούν στην ανάπτυξη της επόμενης γενιάς επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Πίστωση: © 2023 KAUST; Αναστασία Σερίν
Αντιμετώπιση της υποβάθμισης της απόδοσης
Η ομάδα, με επικεφαλής τον Husam N. Alshareef και τον Ph.D. μαθήτρια Zahra Bayhan, ανακάλυψε ότι αυτή η υποβάθμιση προκαλείται από μια χημική αλλαγή που σχηματίζει οξείδιο του μολυβδαινίου στη δομή του MXene.
Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν παλμούς υπέρυθρου λέιζερ για να δημιουργήσουν μικρές «νανοδικές» καρβιδίου του μολυβδαινίου μέσα στο MXene, μια διαδικασία που ονομάζεται γραφή με λέιζερ. Αυτές οι νανοκουκκίδες, πλάτους περίπου 10 νανόμετρων, συνδέθηκαν με τα στρώματα του MXene με υλικά άνθρακα.
Αυτό προσφέρει πολλά οφέλη. Πρώτον, οι νανοκουκκίδες παρέχουν πρόσθετη χωρητικότητα αποθήκευσης για λίθιο και επιταχύνουν τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης. Η θεραπεία με λέιζερ μειώνει επίσης την περιεκτικότητα του υλικού σε οξυγόνο, βοηθώντας στην πρόληψη του σχηματισμού προβληματικού οξειδίου του μολυβδαινίου. Τέλος, ισχυρές συνδέσεις μεταξύ των νανοκουκκίδων και των στρωμάτων βελτιώνουν την αγωγιμότητα του MXene και σταθεροποιούν τη δομή του κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση. «Αυτό παρέχει έναν οικονομικά αποδοτικό και γρήγορο τρόπο ρύθμισης της απόδοσης της μπαταρίας», λέει ο Bayhan.
Ελπιδοφόρα αποτελέσματα και μελλοντικές εφαρμογές
Μια άνοδος που δημιουργήθηκε από αυτό το γραμμένο με λέιζερ υλικό υποβλήθηκε σε δοκιμή σε μπαταρία ιόντων λιθίου για 1000 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης. Αξιοσημείωτο είναι ότι με τις νανοκουκκίδες, το υλικό παρουσίασε τετραπλάσια αύξηση της ικανότητας αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας σε σύγκριση με το αμετάβλητο MXene, σχεδόν ίσο με τη θεωρητική μέγιστη χωρητικότητα του γραφίτη. Επιπλέον, αυτό το τροποποιημένο με λέιζερ υλικό διατήρησε την πλήρη χωρητικότητά του σε όλη τη φάση της δοκιμής.
Η ομάδα πιστεύει ότι η γραφή με λέιζερ θα μπορούσε να εφαρμοστεί ως γενική στρατηγική για τη βελτίωση των ιδιοτήτων άλλων MXenes. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη μιας νέας γενιάς επαναφορτιζόμενων μπαταριών που χρησιμοποιούν φθηνότερα και πιο άφθονα μέταλλα από το λίθιο, για παράδειγμα. «Σε αντίθεση με τον γραφίτη, τα MXenes μπορούν επίσης να παρεμβάλουν ιόντα νατρίου και καλίου», εξηγεί ο Alshareef.
Αναφορά: «A Laser-Induced Mo2CTΧ MXene Hybrid Anode for High-Performance Li-Ion Batteries» των Zahra Bayhan, Jehad K. El-Demellawi, Jian Yin, Yusuf Khan, Yongjiu Lei, Eman Alhajji, Qingxiao Wang, Mohamed N. Hedhili και Husam N. Alshareef, 14 Μαΐου 2023, Μικρό.
DOI: 10.1002/smll.202208253
Διαβάστε επίσης:
Τεράστιες υποβρύχιες κατολισθήσεις της Ανταρκτικής
Παρουσίαση του μέλλοντος της μετάδοσης δεδομένων στο διάστημα
Πρόοδος που σπάει ρεκόρ στον σχεδιασμό μπαταριών ροής επόμενης γενιάς
