Πρόσφατα, το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας King Abdullah (KAUST) παρουσίασε τα αποτελέσματα μιας μελέτης που μπορεί να βοηθήσει στη βελτίωση των υλικών ανόδου για μπαταρίες επόμενης γενιάς.
Σύμφωνα με την έκθεση, το KAUST έδειξε τη χρήση τουπαλμούς λέιζερ για την τροποποίηση της δομής ενός πολλά υποσχόμενου εναλλακτικού υλικού ηλεκτροδίωνονομάζεται "MXene" για να βελτιώσει την ενεργειακή του ικανότητα και άλλες βασικές ιδιότητες.
Στη μελέτη, οι επιστήμονες εξήγησαν ότι ο γραφίτης περιέχει επίπεδα στρώματα ατόμων άνθρακα και κατά τη φόρτιση της μπαταρίας, τα άτομα λιθίου αποθηκεύονται μεταξύ αυτών των στρωμάτων σε μια διαδικασία γνωστή ως «ενσωμάτωση». Η δομή του υλικού "MXene" περιέχει επίσης στρώματα που μπορούν να συγκρατήσουν λίθιο, αλλά αυτά τα στρώματα είναι κατασκευασμένα από μέταλλα μετάπτωσης όπως τιτάνιο ή μολυβδαίνιο σε συνδυασμό με άτομα άνθρακα ή αζώτου, γεγονός που καθιστά το υλικό εξαιρετικά αγώγιμο.
Αυτά τα στρώματα έχουν επίσης πρόσθετα άτομα, όπως οξυγόνο ή φθόριο, στις επιφάνειές τους. Η δομή υλικού "MXene" με βάση το καρβίδιο του μολυβδαινίου έχει ιδιαίτερα καλή χωρητικότητα αποθήκευσης λιθίου, αλλά η απόδοσή του επιδεινώνεται επίσης γρήγορα μετά από επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης.
Η ομάδα KAUST, με επικεφαλής τους Husam N. Alshareef και Zahra Bayhan, διαπίστωσε ότι αυτή η υποβάθμιση προκαλείται από χημικές αλλαγές στη δομή του MXene που σχηματίζουν οξείδιο του μολυβδαινίου.
Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, χρησιμοποίησαν παλμούς υπέρυθρων λέιζερ για να δημιουργήσουν μικρές «νανοστιγμές» καρβιδίου του μολυβδαινίου στη δομή του υλικού «MXene», μια διαδικασία γνωστή ως «σκίψιμο με λέιζερ. Η διαδικασία ονομάζεται «σκίψιμο λέιζερ». Αυτές οι νανοκουκκίδες, που έχουν πλάτος περίπου 10 νανόμετρα, συνδέονται με άνθρακα στα στρώματα της δομής MXene.
Αυτό προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα: 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 προβληματικών οξειδίων του μολυβδαινίου. Τέλος, οι ισχυρές συνδέσεις μεταξύ των νανοκουκκίδων και των στρωμάτων βελτιώνουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα της δομής του υλικού «MXene» και τη σταθεροποιούν κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης.
Σε μια δήλωση τύπου, ο Bayhan είπε: "Αυτό παρέχει έναν οικονομικά αποδοτικό και γρήγορο τρόπο για να ρυθμίσετε την απόδοση των μπαταριών."
Οι ερευνητές έφτιαξαν μια άνοδο με το εγγεγραμμένο με λέιζερ υλικό και τη δοκίμασαν σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου με περισσότερους από 1,000 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης. Με τις νανοκουκκίδες, η ηλεκτρική ικανότητα αποθήκευσης του υλικού ήταν τέσσερις φορές υψηλότερη από το αρχικό MXene, φτάνοντας σχεδόν τη θεωρητική μέγιστη χωρητικότητα του γραφίτη. Το υλικό που έχει εγγραφεί με λέιζερ επίσης δεν έδειξε απώλεια χωρητικότητας στις δοκιμές ποδηλασίας.
Υπό το φως αυτών των αποτελεσμάτων, πιστεύουν ότι η επιγραφή με λέιζερ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως γενική στρατηγική για τη βελτίωση της απόδοσης άλλων υλικών δομών "MXenes". Αυτό θα μπορούσε, για παράδειγμα, να οδηγήσει στην ανάπτυξη μιας νέας γενιάς επαναφορτιζόμενων μπαταριών που χρησιμοποιούν ένα φθηνότερο και πιο άφθονο μέταλλο από το λίθιο. Επιπλέον, σε αντίθεση με τον γραφίτη, οι δομές υλικού MXenes μπορούν επίσης να ενσωματωθούν με ιόντα νατρίου και καλίου.
