Laserpulssit voivat auttaa kehittämään seuraavan sukupolven suurikapasiteettisia akkuja

Äskettäin King Abdullahin tiede- ja teknologiayliopisto (KAUST) on esittänyt tutkimustuloksen, joka voi auttaa parantamaan seuraavan sukupolven akkujen anodimateriaalia.
On raportoitu, että KAUST osoitti laserpulssien käyttöä mahdollisen vaihtoehtoisen elektrodimateriaalin "MXene" rakenteen muuttamiseen sen energiakapasiteetin ja muiden keskeisten ominaisuuksien parantamiseksi.
Tutkimuksessa tutkijat selittivät, että grafiitti sisältää litteitä hiiliatomikerroksia, ja akun latauksen aikana litiumatomit varastoidaan näiden kerrosten väliin prosessissa, joka tunnetaan nimellä "upotus". "MXene" -materiaalin rakenne sisältää myös kerroksia, jotka voivat sisältää litiumia, mutta nämä kerrokset on valmistettu siirtymämetalleista, kuten titaanista tai molybdeenistä yhdistettynä hiili- tai typpiatomeihin, mikä tekee materiaalista erittäin johtavan.
Näiden kerrosten pinnoilla on myös lisäatomeja, kuten happea tai fluoria. Molybdeenikarbidipohjaisella "MXene" -materiaalirakenteella on erityisen hyvä litiumin varastointikapasiteetti, mutta sen suorituskyky heikkenee myös nopeasti toistuvien lataus-/purkausjaksojen jälkeen.
KAUST-tiimi, jota johtivat Husam N. Alshareef ja Zahra Bayhan, havaitsi, että tämä hajoaminen johtuu kemiallisista muutoksista MXene-rakenteessa, joka muodostaa molybdeenioksidia.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi he käyttivät infrapunalaserpulsseja luomaan pieniä "nanopisteitä" molybdeenikarbidista "MXene"-materiaalin rakenteeseen, prosessi, joka tunnetaan nimellä "laser scribing". Prosessia kutsutaan "laser scribingiksi". Nämä nanopisteet, jotka ovat noin 10 nanometriä leveitä, on kiinnitetty MXene-rakenteen kerroksiin hiilellä.
Tämä tarjoaa useita etuja: Ensinnäkin nanopisteet tarjoavat lisää tallennuskapasiteettia litiumille ja nopeuttavat lataus- ja purkuprosessia. Laserkäsittely vähentää myös materiaalin happipitoisuutta, mikä auttaa estämään ongelmallisten molybdeenioksidien muodostumista. Lopuksi vahvat yhteydet nanopisteiden ja kerrosten välillä parantavat "MXene" -materiaalirakenteen sähkönjohtavuutta ja stabiloivat sitä lataus- ja purkuprosessin aikana.
Bayhan sanoi lehdistötiedotteessa: "Tämä tarjoaa kustannustehokkaan ja nopean tavan säätää akkujen suorituskykyä."
Tutkijat tekivät anodin laserilla kirjoitetusta materiaalista ja testasivat sitä litiumioniakussa, jossa oli yli 1,000 lataus-purkaussykliä. Nanopisteillä materiaalin sähköinen tallennuskapasiteetti oli neljä kertaa suurempi kuin alkuperäisessä MXene:ssä, saavuttaen melkein grafiitin teoreettisen maksimikapasiteetin. Laserkirjoitettu materiaali ei myöskään osoittanut kapasiteetin menetystä pyöräilytesteissä.
Näiden tulosten valossa he uskovat, että laserkirjoitusta voitaisiin käyttää yleisenä strategiana muiden "MXenes" -materiaalirakenteiden suorituskyvyn parantamiseksi. Tämä voisi esimerkiksi johtaa uuden sukupolven ladattavien akkujen kehittämiseen, joissa käytetään litiumia halvempaa ja runsaampaa metallia. Lisäksi, toisin kuin grafiitti, MXenes-materiaalirakenteet voidaan upottaa myös natrium- ja kaliumioneilla.