KAUST utilizza impulsi laser per migliorare le prestazioni dell'elettrodo MXene

I ricercatori KAUST hanno dimostrato l'uso di impulsi laser per modificare la struttura di un promettente materiale elettrodico alternativo noto come MXene, aumentandone la capacità energetica e altre proprietà chiave. I ricercatori sperano che questa strategia possa aiutare a progettare un materiale anodico migliore nelle batterie di prossima generazione.

Un articolo sul loro lavoro è pubblicato sulla rivista Small.

La grafite contiene strati piatti di atomi di carbonio e durante la ricarica della batteria gli atomi di litio vengono immagazzinati tra questi strati in un processo chiamato intercalazione. Gli MXeni contengono anche strati che possono ospitare litio, ma questi strati sono costituiti da metalli di transizione come titanio o molibdeno legati ad atomi di carbonio o azoto, che rendono il materiale altamente conduttivo. Le superfici degli strati presentano anche atomi aggiuntivi come ossigeno o fluoro. Gli MXeni a base di carburo di molibdeno hanno una capacità di stoccaggio del litio particolarmente buona, ma le loro prestazioni peggiorano presto dopo ripetuti cicli di carica e scarica.

Il team, guidato da Husam N. Alshareef e Ph.D. Zahra Bayhan, studentessa, ha scoperto che questa degradazione è causata da un cambiamento chimico che forma ossido di molibdeno all'interno della struttura dell'MXene.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno utilizzato impulsi laser a infrarossi per creare piccoli “nanodoti” di carburo di molibdeno all’interno dell’MXene, un processo chiamato laser scribing. Questi nanopunti, larghi circa 10 nanometri, erano collegati agli strati di MXene tramite materiali di carbonio.

Ciò offre numerosi vantaggi. Innanzitutto, i nanodot forniscono ulteriore capacità di stoccaggio del litio e accelerano il processo di carica e scarica. Il trattamento laser riduce inoltre il contenuto di ossigeno del materiale, contribuendo a prevenire la formazione del problematico ossido di molibdeno. Infine, forti connessioni tra i nanodot e gli strati migliorano la conduttività dell'MXene e ne stabilizzano la struttura durante la carica e la scarica.

I ricercatori hanno realizzato un anodo con il materiale inciso al laser e lo hanno testato in una batteria agli ioni di litio per oltre 1000 cicli di carica-scarica. Con i nanodot posizionati, il materiale aveva una capacità di accumulo elettrico quattro volte superiore rispetto all’MXene originale e raggiungeva quasi la capacità massima teorica della grafite. Anche il materiale inciso al laser non ha mostrato alcuna perdita di capacità durante il test ciclistico.

Qui, viene rivelato che le prestazioni ciclistiche instabili di Mo2CTx sono attribuite all'ossidazione parziale in MoOx con degrado strutturale. È stato sviluppato un anodo ibrido Mo2CTx/Mo2C (LS-Mo2CTx) indotto dal laser, i cui nanodot Mo2C aumentano la cinetica redox e il contenuto di ossigeno ridotto dal laser previene il degrado strutturale causato dall'ossidazione. Nel frattempo, le forti connessioni tra i nanopunti Mo2C indotti dal laser e i nanofogli Mo2CTx migliorano la conduttività e stabilizzano la struttura durante il ciclo carica-scarica.

L'anodo LS-Mo2CTx così preparato mostra una capacità migliorata di 340 mAh g−1 rispetto a 83 mAh g−1 (per incontaminato) e una migliore stabilità del ciclo (ritenzione della capacità del 106,2% rispetto a 80,6% per incontaminato) su 1000 cicli. L’approccio di sintesi indotta dal laser sottolinea il potenziale dei materiali ibridi basati su MXene per applicazioni di stoccaggio energetico ad alte prestazioni.

I ricercatori ritengono che la scrittura laser potrebbe essere applicata come strategia generale per migliorare le proprietà di altri MXeni. Ciò potrebbe aiutare a sviluppare una nuova generazione di batterie ricaricabili che utilizzano metalli più economici e più abbondanti rispetto al litio, ad esempio. A differenza della grafite, gli MXeni possono anche intercalare ioni sodio e potassio, osserva Alshareef.

Risorse

Bayhan, Z., El-Demellawi, JK, Yin, J., Khan, Y., Lei, Y., Alhajji, E., Wang, Q., Hedhili, MN & Alshareef, HN (2023) Un effetto indotto dal laser Anodo ibrido Mo2CTx MXene per batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni. Doi piccolo: 10.1002/smll.202208253

Pubblicato il 28 luglio 2023 in Batterie, Contesto del mercato, Materiali | Collegamento permanente | Commenti (0)