Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Laserbehandeling blijkt de prestaties van de batterij te verbeteren

SEM-afbeeldingen voor Mo2 CTx en LS-Mo2 CTx elektroden. (a) dwarsdoorsnede en (b,c) de morfologie van Mo2 CTx . (d) dwarsdoorsnede en (e,f) de morfologie van LS-Mo2 CTx . Krediet:Klein (2023). DOI:10.1002/sml.202208253

Nu de wereld overstapt op hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie, is er een groeiende behoefte aan hoogwaardige oplaadbare batterijen om de energie op te slaan die door deze intermitterende energiebron wordt gegenereerd. De huidige lithium-ionbatterijen zijn goed, maar hun prestaties moeten nog worden verbeterd; het ontwikkelen van nieuwe elektrodematerialen is één manier om hun prestaties te verbeteren.



KAUST-onderzoekers hebben het gebruik van laserpulsen gedemonstreerd om de structuur van een veelbelovend alternatief elektrodemateriaal, bekend als MXene, te wijzigen, waardoor de energiecapaciteit en andere belangrijke eigenschappen ervan worden vergroot. Hun bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Small . De onderzoekers hopen dat deze strategie kan helpen een verbeterd anodemateriaal te ontwikkelen in batterijen van de volgende generatie.

Grafiet bevat platte lagen koolstofatomen en tijdens het opladen van de batterij worden lithiumatomen tussen deze lagen opgeslagen in een proces dat intercalatie wordt genoemd. MXenen bevatten ook lagen die lithium kunnen huisvesten, maar deze lagen zijn gemaakt van overgangsmetalen zoals titanium of molybdeen gebonden aan koolstof- of stikstofatomen, waardoor het materiaal zeer geleidend is.

De oppervlakken van de lagen bevatten ook extra atomen zoals zuurstof of fluor. MXenen op basis van molybdeencarbide hebben een bijzonder goede opslagcapaciteit voor lithium, maar hun prestaties gaan snel achteruit na herhaalde laad- en ontlaadcycli.

Het team, geleid door Husam N. Alsshareef en Ph.D. studente Zahra Bayhan ontdekte dat deze afbraak wordt veroorzaakt door een chemische verandering die molybdeenoxide vormt in de structuur van MXene.

Ontdek hoe KAUST-onderzoekers helpen bij de ontwikkeling van de volgende generatie oplaadbare batterijen. Krediet:© 2023 KAUST; Anastasia Serin.

Om dit probleem aan te pakken, gebruikten de onderzoekers infraroodlaserpulsen om kleine "nanodots" van molybdeencarbide in de MXene te creëren, een proces dat laserschrijven wordt genoemd. Deze nanodots, ongeveer 10 nanometer breed, waren door koolstofmaterialen met de lagen van MXene verbonden.

Dit biedt verschillende voordelen. Ten eerste zorgen de nanodots voor extra opslagcapaciteit voor lithium en versnellen ze het laad- en ontlaadproces. De laserbehandeling vermindert ook het zuurstofgehalte van het materiaal, waardoor de vorming van problematisch molybdeenoxide wordt voorkomen. Ten slotte verbeteren sterke verbindingen tussen de nanodots en de lagen de geleidbaarheid van MXene en stabiliseren ze de structuur tijdens het opladen en ontladen. "Dit biedt een kosteneffectieve en snelle manier om de batterijprestaties af te stemmen", zegt Bayhan.

De onderzoekers maakten een anode van het lasergeschreven materiaal en testten deze in een lithium-ionbatterij gedurende 1000 laad-ontlaadcycli. Met de nanodots op hun plaats had het materiaal een vier keer hogere elektrische opslagcapaciteit dan de originele MXene en bereikte bijna de theoretische maximale capaciteit van grafiet. Ook tijdens de fietstest vertoonde het lasergeschreven materiaal geen capaciteitsverlies.

De onderzoekers denken dat laserschrijven kan worden toegepast als een algemene strategie om de eigenschappen van andere MXenen te verbeteren. Dit zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van een nieuwe generatie oplaadbare batterijen die goedkopere en overvloedigere metalen gebruiken dan bijvoorbeeld lithium. "In tegenstelling tot grafiet kunnen MXenen ook natrium- en kaliumionen intercaleren", legt Alsshareef uit.

Meer informatie: Zahra Bayhan et al., Een lasergeïnduceerde Mo2 CTx MXene hybride anode voor krachtige Li-ion-batterijen, klein (2023). DOI:10.1002/klein.202208253

Journaalinformatie: Klein

Aangeboden door King Abdullah University of Science and Technology




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wat zijn de structurele delen van de lange botten in het lichaam?
  2. Hoe komen vogels bijeen? Onderzoekers doen de wiskunde om voorheen onbekende aerodynamische fenomenen te onthullen
  3. Zijn kinderen gelukkiger dan volwassenen?
  4. Hoe nemen we beslissingen?
  5. Componenten van Homeostasis
  6. Hoe bedreigingsdetectiemechanismen van planten alarm slaan
  7. Genomische studie onderzoekt de evolutie van zachte killer-bijen in Puerto Rico
  8. Vergeet uw huisdieren niet tijdens koud weer
  9. Voorbeelden van stoffen die gefaciliteerde diffusie gebruiken

Wetenschap