Новости

Jun 05, 2024

Обработка электродов MXene лазером для улучшения Li

klyaksun/iStock Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время. Исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии

klyaksun/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Исследователи из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии обнаружили, что лазерное маркирование или создание наноточек на электроде батареи может улучшить ее емкость и стабильность. Этот метод можно применить к альтернативному материалу для электродов, называемому MXene.

Литий-ионные аккумуляторы имеют множество недостатков в своем широком применении, и исследователи во всем мире стремятся либо усовершенствовать эту технологию, либо найти лучшие альтернативы.

MXenes — это класс двумерных материалов, состоящих из атомов углерода и азота, связанных с такими металлами, как титан или молибден. Несмотря на то, что эти материалы керамические, они обладают хорошей проводимостью и высокой емкостью, что делает их идеальными для использования в устройствах хранения энергии, таких как батареи.

В литий-ионных батареях используются графитовые электроды, содержащие слои атомов углерода. Когда аккумулятор заряжается, ионы лития накапливаются между этими слоями в процессе, который ученые называют интеркаляцией.

MXenes предпочтительнее графита в качестве материала электрода, поскольку они обеспечивают дополнительное пространство для хранения ионов лития для интеркалирования. Проблема, однако, в том, что более высокая емкость аккумулятора уменьшается после повторных циклов зарядки и разрядки.

Исследователи из KAUST обнаружили, что причиной ухудшения емкости стало химическое изменение, которое привело к образованию оксида молибдена в структуре MXene.

Исследовательская группа под руководством Хусама Н. Альшарифа использовала процесс, называемый лазерным скрайбированием, при котором импульсы инфракрасных лазеров использовались для создания «наноточек» на карбиде молибдена на электродах MXene. Эти наноточки имели ширину около 10 нанометров и были соединены со слоями MXene с помощью углеродных материалов, говорится в пресс-релизе.

Материал с лазерной маркировкой был использован для изготовления анода и протестирован в литий-ионной батарее в течение 1000 циклов зарядки-разрядки. Исследователи обнаружили, что анод с наноточками имел в четыре раза большую электрическую емкость, чем анод без них, а также был способен достичь теоретической максимальной емкости графита. Более того, даже после 1000 циклов падения производительности не произошло.

Исследователи объясняют улучшение характеристик материала, нанесённого лазером, множеством факторов. Создание наноточек обеспечивает дополнительное пространство для интеркалирования ионов лития, ускоряя процесс зарядки. Это также снижает содержание кислорода в материале, дополнительно предотвращая образование оксида молибдена и ухудшая характеристики электрода из MXene.

Соединения между наноточками и слоями еще больше улучшают проводимость материала и стабилизируют его структуру. Исследователи уверены, что этот подход можно применить в качестве стратегии для улучшения производительности MXenes, в которых также используются другие металлы.

Хотя в наши дни цены на литий зашкаливают из-за высокого спроса, MXenes также могут работать с более распространенными ионами металлов, таких как натрий и калий. Это также может привести к разработке нового поколения аккумуляторных батарей.

«Это обеспечивает экономичный и быстрый способ настройки производительности батареи», — добавила Захра Байхан, которая работала над этим подходом в качестве доктора философии. студентка КАУСТа.

Результаты исследования опубликованы в журнале Small.

Абстрактный

MXenes, быстрорастущее семейство двумерных (2D) карбидов/нитридов переходных металлов, перспективно для применения в электронике и хранении энергии. Mo2CTx MXene, в частности, продемонстрировал более высокую емкость, чем другие MXenes, в качестве анода для литий-ионных аккумуляторов. Тем не менее, такая повышенная мощность сопровождается медленной кинетикой и плохой циклической стабильностью. 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.