Виявлено, що лазерна обробка підвищує продуктивність акумулятора

Оскільки світ переходить на відновлювані джерела енергії, такі як сонце та вітер, зростає потреба у високопродуктивних акумуляторних батареях для зберігання енергії, виробленої цим періодичним джерелом енергії. Сучасні літій-іонні батареї хороші, але їх продуктивність все ще потребує покращення; розробка нових електродних матеріалів є одним із способів покращити їхню продуктивність.

Дослідники KAUST продемонстрували використання лазерних імпульсів для модифікації структури багатообіцяючого альтернативного електродного матеріалу, відомого як MXene, підвищуючи його енергетичну ємність та інші ключові властивості. Їхні висновки опубліковані в журналі Small . Дослідники сподіваються, що ця стратегія допоможе розробити покращений анодний матеріал для акумуляторів наступного покоління.

Графіт містить плоскі шари атомів вуглецю, і під час заряджання акумулятора атоми літію зберігаються між цими шарами в процесі, який називається інтеркаляцією. MXenes також містять шари, які можуть вмістити літій, але ці шари складаються з перехідних металів, таких як титан або молібден, пов’язаних з атомами вуглецю або азоту, що робить матеріал високопровідним.

На поверхні шарів також є додаткові атоми, такі як кисень або фтор. MXenes на основі карбіду молібдену мають особливо хорошу літієву ємність, але їх продуктивність незабаром погіршується після повторних циклів заряджання та розряджання.

Команда під керівництвом Хусама Н. Альшаріфа та доктора філософії. Студентка Захра Байхан виявила, що ця деградація викликана хімічною зміною, яка утворює оксид молібдену в структурі MXene.

Щоб вирішити цю проблему, дослідники використовували інфрачервоні лазерні імпульси для створення невеликих «наноточок» карбіду молібдену всередині MXene, процес називається лазерним скрайбуванням. Ці наноточки, шириною приблизно 10 нанометрів, були з’єднані з шарами MXene вуглецевими матеріалами.

Це дає кілька переваг. По-перше, наноточки забезпечують додаткову ємність для зберігання літію та прискорюють процес заряджання та розряджання. Лазерна обробка також зменшує вміст кисню в матеріалі, допомагаючи запобігти утворенню проблемного оксиду молібдену. Нарешті, міцні зв’язки між наноточками та шарами покращують провідність MXene та стабілізують його структуру під час заряджання та розряджання. «Це забезпечує економічно ефективний і швидкий спосіб налаштувати продуктивність батареї», — каже Байхан.

Дослідники виготовили анод із матеріалу, нанесеного лазером, і випробували його в літій-іонній батареї протягом 1000 циклів заряду-розряду. З наноточками на місці матеріал мав у чотири рази більшу електричну ємність, ніж оригінальний MXene, і майже досяг максимальної теоретичної ємності графіту. Матеріал, нанесений лазером, також не продемонстрував втрати ємності під час циклічного випробування.

Дослідники вважають, що лазерне скрайбування можна застосувати як загальну стратегію для покращення властивостей інших MXenes. Це може допомогти розробити нове покоління акумуляторних батарей, які використовують дешевші та більш поширені метали, ніж, наприклад, літій. «На відміну від графіту, MXenes також може інтеркалувати іони натрію та калію», — пояснює Альшаріф. Джерело