KAUST的研究人员通过利用激光脉冲改进电极材料MXene，在可再生能源存储领域取得了长足的进步。随着时间的推移，传统的MXene面临性能下降的问题，这主要是由于氧化钼的形成。然而，随着激光制作纳米点的引入，MXene展示了增强的锂存储和更快的充电速度。值得注意的是，在测试中，该材料的存储容量增加了四倍，与石墨相媲美，而没有任何观察到的容量损失。
研究人员使用激光脉冲来增强MXene的电极性能，从而导致可充电电池技术的潜在突破，可能超越传统Nal锂离子电池。
随着全球社会转向太阳能和风能等可再生能源，对高性能可充电电池的需求正在加剧。这些电池对于储存来自间歇性可再生能源的能量至关重要。虽然今天的锂离子电池是有效的，但仍有改进的空间。开发新的电极材料是提高其性能的一种方法。
Zahra Bayhan正在开发包含MXenes的电池，由于其优异的导电性，它可以在某些电池中替代石墨。图片来源:?2024 KAUST;阿纳斯塔西娅金丝雀
MXene:一种很有前途的电极材料
阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究人员展示了使用激光脉冲来修改一种被称为MXene的有前途的替代电极材料的结构，提高其能量容量和其他关键性能。研究人员希望这一策略可以帮助设计出下一代电池中改进的阳极材料。
石墨含有扁平的碳原子层，在电池充电过程中，锂原子被储存在这些层之间，这一过程被称为嵌入。MXenes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MXenes具有特别好的锂存储能力，但在反复充放电循环后，其性能很快下降。
了解KAUST的研究人员如何帮助开发下一代可充电电池。图片来源:?2024 KAUST;阿纳斯塔西娅金丝雀
解决性能下降问题
由Husam N. Alshareef和博士生Zahra Bayhan领导的研究小组发现，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，研究人员使用红外激光脉冲在MXene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的导电性，并在充放电过程中稳定了其结构。“这为调整电池性能提供了一种经济高效且快速的方法，”Bayhan说。
Zahra Bayhan和Husam Alshareef教授认为，激光刻划可以作为一种通用策略来改善其他MXenes的性能。图片来源:?2024 KAUST;阿纳斯塔西娅金丝雀
有希望的结果和未来的应用
由这种激光刻写材料制成的阳极在锂离子电池中进行了超过1000次充放电循环的测试。值得注意的是，与未改变的MXene相比，纳米点的材料表现出四倍的电存储容量激增，几乎与石墨的理论峰值容量相匹配。此外，这种激光改性材料在整个测试阶段保持了其全部容量。
该团队认为，激光刻划可以作为一种通用策略来改善其他MXenes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。“与石墨不同，MXenes也可以嵌入钠离子和钾离子，”Alshareef解释说。
参考文献:“用于高性能锂离子电池的激光诱导Mo2CTx MXene混合阳极”，Zahra Bayhan, Jehad K. El-Demellawi, Yin Jian, Yusuf Khan, Lei Yongjiu, Eman Alhajji, Qingxiao Wang, Mohamed N. Hedhili and Husam N. Alshareef, 2024年5月14日，Small。DOI: 10.1002 / smll.202208253
