KAUST использует лазерные импульсы для повышения производительности электрода MXene

Исследователи KAUST продемонстрировали использование лазерных импульсов для изменения структуры многообещающего альтернативного электродного материала, известного как MXene, повышая его энергоемкость и другие ключевые свойства. Исследователи надеются, что эта стратегия поможет разработать улучшенный анодный материал для батарей следующего поколения.

Статья об их работе опубликована в журнале Small.

Графит содержит плоские слои атомов углерода, и во время зарядки аккумулятора атомы лития сохраняются между этими слоями в процессе, называемом интеркаляцией. MXenes также содержат слои, которые могут вмещать литий, но эти слои состоят из переходных металлов, таких как титан или молибден, связанных с атомами углерода или азота, что делает материал высокопроводящим. Поверхности слоев также содержат дополнительные атомы, такие как кислород или фтор. MXenes на основе карбида молибдена обладают особенно хорошей емкостью для хранения лития, но их производительность вскоре ухудшается после повторяющихся циклов зарядки и разрядки.

Группа под руководством Хусама Н. Альшарифа и доктора философии. Студентка Захра Байхан обнаружила, что эта деградация вызвана химическим изменением, в результате которого в структуре MXene образуется оксид молибдена.

Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали инфракрасные лазерные импульсы для создания небольших «наноточек» карбида молибдена внутри MXene. Этот процесс называется лазерным скрайбированием. Эти наноточки шириной примерно 10 нанометров были соединены со слоями MXene с помощью углеродных материалов.

Это дает несколько преимуществ. Во-первых, наноточки обеспечивают дополнительную емкость для хранения лития и ускоряют процесс зарядки и разрядки. Лазерная обработка также снижает содержание кислорода в материале, помогая предотвратить образование проблемного оксида молибдена. Наконец, прочные связи между наноточками и слоями улучшают проводимость MXene и стабилизируют его структуру во время зарядки и разрядки.

Исследователи изготовили анод из материала, нанесенного лазером, и протестировали его в литий-ионной батарее в течение 1000 циклов зарядки-разрядки. С наноточками материал имел в четыре раза большую электрическую емкость, чем исходный MXene, и почти достиг теоретической максимальной емкости графита. Материал с лазерной маркировкой также не показал потери емкости во время циклического испытания.

При этом обнаружено, что нестабильные циклические характеристики Mo2CTx объясняются частичным окислением до MoOx со структурной деградацией. Был разработан лазерно-индуцированный гибридный анод Mo2CTx/Mo2C (LS-Mo2CTx), в котором наноточки Mo2C усиливают окислительно-восстановительную кинетику, а сниженное лазером содержание кислорода предотвращает структурную деградацию, вызванную окислением. Между тем, прочные связи между наноточками Mo2C, индуцированными лазером, и нанолистами Mo2CTx повышают проводимость и стабилизируют структуру во время циклического заряда-разряда.

Приготовленный анод LS-Mo2CTx демонстрирует повышенную емкость 340 мАч г-1 по сравнению с 83 мАч г-1 (для нетронутого материала) и улучшенную циклическую стабильность (сохранение емкости 106,2% против 80,6% для нетронутого материала) в течение 1000 циклов. Подход к лазерно-индуцированному синтезу подчеркивает потенциал гибридных материалов на основе MXene для высокопроизводительных приложений по хранению энергии.

Исследователи считают, что лазерное скрайбирование может быть применено в качестве общей стратегии для улучшения свойств других MXenes. Это может помочь в разработке нового поколения перезаряжаемых батарей, в которых, например, используются более дешевые и распространенные металлы, чем литий. В отличие от графита, MXenes также могут интеркалировать ионы натрия и калия, отмечает Альшариф.

Ресурсы

Байхан, З., Эль-Демеллави, Дж. К., Инь, Дж., Хан, Ю., Лей, Ю., Альхаджи, Э., Ван, К., Хедхили, М. Н. и Альшариф, Х. Н. (2023) Лазерно-индуцированный Гибридный анод Mo2CTx MXene для высокопроизводительных литий-ионных аккумуляторов. Малый дои: 10.1002/smll.202208253

Опубликовано 28 июля 2023 г. в разделах «Батареи», «Рыночная информация», «Материалы» | Постоянная ссылка | Комментарии (0)