Nylig presenterte King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) resultatene av en studie som kan bidra til å forbedre anodematerialer for neste generasjons batterier.
I følge rapporten demonstrerte KAUST bruken avlaserpulser for å modifisere strukturen til et lovende alternativt elektrodematerialekalt "MXene" for å forbedre energikapasiteten og andre nøkkelegenskaper.
I studien forklarte forskerne at grafitt inneholder flate lag av karbonatomer, og under batterilading blir litiumatomer lagret mellom disse lagene i en prosess kjent som "embedding". Strukturen til «MXene»-materialet inneholder også lag som kan holde litium, men disse lagene er laget av overgangsmetaller som titan eller molybden kombinert med karbon- eller nitrogenatomer, noe som gjør materialet svært ledende.
Disse lagene har også flere atomer, som oksygen eller fluor, på overflaten. Den molybdenkarbidbaserte "MXene"-materialstrukturen har en spesielt god litiumlagringskapasitet, men ytelsen forringes også raskt etter gjentatte lade-/utladingssykluser.
KAUST-teamet, ledet av Husam N. Alshareef og Zahra Bayhan, fant at denne nedbrytningen er forårsaket av kjemiske endringer i MXene-strukturen som danner molybdenoksid.
For å løse dette problemet brukte de infrarøde laserpulser for å lage små "nanodotter" av molybdenkarbid i strukturen til "MXene"-materialet, en prosess kjent som "laser-scribing. Prosessen kalles "laser scribing. Disse nanodottene, som er omtrent 10 nanometer brede, er festet til lagene i MXene-strukturen med karbon.
Dette gir flere fordeler: For det første gir nanodottene ekstra lagringskapasitet for litium og øker hastigheten på lade- og utladingsprosessen. Laserbehandlingen reduserer også oksygeninnholdet i materialet, og bidrar til å forhindre dannelse av problematiske molybdenoksider. Til slutt forbedrer de sterke forbindelsene mellom nanodottene og lagene den elektriske ledningsevnen til "MXene"-materialstrukturen og stabiliserer den under lade- og utladingsprosessen.
I en pressemelding sa Bayhan: "Dette gir en kostnadseffektiv og rask måte å justere ytelsen til batterier på."
Forskerne laget en anode med det laserinnskrevne materialet og testet det i et litiumionbatteri med mer enn 1,000 lade-utladingssykluser. Med nanodottene var materialets elektriske lagringskapasitet fire ganger høyere enn den originale MXene, og nådde nesten den teoretiske maksimale kapasiteten til grafitt. Det laserinnskrevne materialet viste heller ikke tap av kapasitet i sykkeltestene.
I lys av disse resultatene mener de at laserinskripsjon kan brukes som en generell strategi for å forbedre ytelsen til andre "MXenes" materialstrukturer. Dette kan for eksempel føre til utviklingen av en ny generasjon oppladbare batterier som bruker et billigere og mer rikelig metall enn litium. I tillegg, i motsetning til grafitt, kan MXenes materialstrukturer også være innebygd med natrium- og kaliumioner.
