For nylig præsenterede King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) resultaterne af en undersøgelse, der kan hjælpe med at forbedre anodematerialer til næste generations batterier.
Ifølge rapporten påviste KAUST brugen aflaserimpulser for at modificere strukturen af et lovende alternativt elektrodematerialekaldet "MXene" for at forbedre dens energikapacitet og andre nøgleegenskaber.
I undersøgelsen forklarede forskerne, at grafit indeholder flade lag af kulstofatomer, og under batteriopladning lagres lithiumatomer mellem disse lag i en proces kendt som "indlejring". Strukturen af "MXene"-materialet indeholder også lag, der kan holde lithium, men disse lag er lavet af overgangsmetaller som titanium eller molybdæn kombineret med kulstof- eller nitrogenatomer, hvilket gør materialet meget ledende.
Disse lag har også yderligere atomer, såsom oxygen eller fluor, på deres overflader. Den molybdæncarbid-baserede "MXene"-materialestruktur har en særlig god lithiumlagringskapacitet, men dens ydeevne forringes også hurtigt efter gentagne opladnings-/afladningscyklusser.
KAUST-teamet, ledet af Husam N. Alshareef og Zahra Bayhan, fandt ud af, at denne nedbrydning er forårsaget af kemiske ændringer i MXene-strukturen, der danner molybdænoxid.
For at løse dette problem brugte de infrarøde laserimpulser til at skabe små "nanodotter" af molybdæncarbid i strukturen af "MXene" materialet, en proces kendt som "laser scribing. Processen kaldes "laser scribing. Disse nanodotter, som er omkring 10 nanometer brede, er knyttet til lagene af MXene-strukturen med kulstof.
Dette giver flere fordele: For det første giver nanodotterne yderligere lagerkapacitet til lithium og fremskynder opladningen og afladningsprocessen. Laserbehandlingen reducerer også iltindholdet i materialet, hvilket er med til at forhindre dannelsen af problematiske molybdænoxider. Endelig forbedrer de stærke forbindelser mellem nanodotter og lagene den elektriske ledningsevne af "MXene" materialestrukturen og stabiliserer den under opladning og afladningsprocessen.
I en pressemeddelelse sagde Bayhan: "Dette giver en omkostningseffektiv og hurtig måde at justere batteriernes ydeevne på."
Forskerne lavede en anode med det laserindskrevne materiale og testede det i et lithium-ion-batteri med mere end 1,000 opladnings-afladningscyklusser. Med nanodotterne var materialets elektriske lagerkapacitet fire gange højere end den originale MXene, og nåede næsten den teoretiske maksimale kapacitet af grafit. Det laserindskrevne materiale viste heller ikke noget tab af kapacitet i cykeltestene.
I lyset af disse resultater mener de, at laserinskription kunne bruges som en generel strategi til at forbedre ydeevnen af andre "MXenes" materialestrukturer. Dette kan for eksempel føre til udviklingen af en ny generation af genopladelige batterier, der bruger et billigere og mere rigeligt metal end lithium. Derudover, i modsætning til grafit, kan MXenes materialestrukturer også indlejres med natrium- og kaliumioner.
