Onlangs presenteerde King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) de resultaten van een studie die kan helpen bij het verbeteren van anodematerialen voor batterijen van de volgende generatie.
Volgens het rapport demonstreerde KAUST het gebruik vanlaserpulsen om de structuur van een veelbelovend alternatief elektrodemateriaal te wijzigengenaamd "MXene" om zijn energiecapaciteit en andere belangrijke eigenschappen te verbeteren.
In het onderzoek legden de wetenschappers uit dat grafiet platte lagen koolstofatomen bevat, en tijdens het opladen van de batterij worden lithiumatomen tussen deze lagen opgeslagen in een proces dat bekend staat als "inbedding". De structuur van het "MXene"-materiaal bevat ook lagen die lithium kunnen bevatten, maar deze lagen zijn gemaakt van overgangsmetalen zoals titanium of molybdeen gecombineerd met koolstof- of stikstofatomen, waardoor het materiaal zeer geleidend is.
Deze lagen hebben ook extra atomen, zoals zuurstof of fluor, op hun oppervlak. De structuur van het "MXene"-materiaal op basis van molybdeencarbide heeft een bijzonder goede opslagcapaciteit voor lithium, maar de prestaties gaan ook snel achteruit na herhaalde laad-/ontlaadcycli.
Het KAUST-team, geleid door Husam N. Alshareef en Zahra Bayhan, ontdekte dat deze afbraak wordt veroorzaakt door chemische veranderingen in de MXene-structuur die molybdeenoxide vormen.
Om dit probleem op te lossen, gebruikten ze infrarode laserpulsen om kleine "nanodots" van molybdeencarbide te creëren in de structuur van het "MXene" -materiaal, een proces dat bekend staat als "laser cribing". Het proces wordt "laser cribing" genoemd. Deze nanodots, die ongeveer 10 nanometer breed zijn, zijn door koolstof aan de lagen van de MXene-structuur bevestigd.
Dit biedt verschillende voordelen: ten eerste bieden de nanodots extra opslagcapaciteit voor lithium en versnellen ze het laad- en ontlaadproces. De laserbehandeling vermindert ook het zuurstofgehalte van het materiaal, waardoor de vorming van problematische molybdeenoxiden wordt voorkomen. Ten slotte verbeteren de sterke verbindingen tussen de nanodots en de lagen de elektrische geleidbaarheid van de "MXene" materiaalstructuur en stabiliseren deze tijdens het laad- en ontlaadproces.
In een persverklaring zei Bayhan: "Dit biedt een kosteneffectieve en snelle manier om de prestaties van batterijen af te stemmen."
De onderzoekers maakten een anode met het lasergegraveerde materiaal en testten het in een lithium-ionbatterij met meer dan 1,{3}} laad-ontlaadcycli. Met de nanodots was de elektrische opslagcapaciteit van het materiaal vier keer hoger dan die van het originele MXene, waarmee bijna de theoretische maximale capaciteit van grafiet werd bereikt. Het lasergegraveerde materiaal vertoonde ook geen capaciteitsverlies in de fietstesten.
In het licht van deze resultaten zijn ze van mening dat laserinscriptie kan worden gebruikt als een algemene strategie om de prestaties van andere "MXenes" materiaalstructuren te verbeteren. Dit zou bijvoorbeeld kunnen leiden tot de ontwikkeling van een nieuwe generatie oplaadbare batterijen die een goedkoper en overvloediger metaal gebruiken dan lithium. Bovendien kunnen MXenes-materiaalstructuren, in tegenstelling tot grafiet, ook worden ingebed met natrium- en kaliumionen.
