激光脉冲或将有助于开发下一代高容量电池

2023-07-31 16:16

近日，阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University，KAUST）了一项研究成果，该成果可能有助于改进下一代电池的阳极材料。

据悉，KAUST展示了使用激光脉冲来修改一种被称为“MXene”的有潜力替代电极材料的结构，提高其能量容量和其他关键性能。

在这项研究中，科学家们解释称，石墨含有扁平的碳原子层，在电池充电期间，锂原子在这些层之间存储，这一过程被称为“嵌入”。“MXene”材料结构也包含可以容纳锂的层，但这些层是由过渡金属如钛或钼与碳或氮原子结合而成的，这使得材料具有高导电性。

这些层的表面还具有额外的原子，如氧或氟。基于碳化钼的“MXene”材料结构具有特别好的锂存储能力，但在反复充放电循环后，其性能也会很快下降。

由Husam N． Alshareef和Zahra Bayhan领导的KAUST团队发现，这种降解是由MXene结构中形成氧化钼的化学变化引起的。

为了解决这个问题，他们使用红外激光脉冲在“MXene”材料结构中制造出碳化钼的小“纳米点”，这一过程被称为“激光划线”。这些大约10纳米宽的纳米点通过碳材料连接到“MXene”材料结构的层上。

这提供了几个好处：首先，纳米点为锂提供了额外的存储容量，并加快了充放电过程。激光处理还降低了材料的氧含量，有助于防止有问题的氧化钼的形成。最后，纳米点和层之间的强连接提高了“MXene”材料结构的导电性，并在充放电过程中稳定了其结构。

Bayhan在一份媒体声明中表示：“这为调整电池性能提供了一种经济高效且快速的方法。”

研究人员用激光刻写材料制作了一个阳极，并在锂离子电池中进行了1000多次充放电循环测试。有了纳米点，这种材料的电存储容量比原来的MXene高4倍，几乎达到了石墨的理论最大容量。激光刻录材料在循环测试中也没有显示出容量损失。

鉴于这些结果，他们认为激光刻划可以作为一种通用策略来改善其他“MXenes”材料结构的性能。例如，这有助于开发新一代可充电电池，这种电池使用比锂更便宜、更丰富的金属。另外，与石墨不同，MXenes材料结构也可以嵌入钠离子和钾离子。

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