KAUST utiliza pulsos láser para mejorar el rendimiento del electrodo MXene

Aug 18, 2023

Los investigadores de KAUST han demostrado el uso de pulsos láser para modificar la estructura de un prometedor material de electrodo alternativo conocido como MXene, aumentando su capacidad energética y otras propiedades clave. Los investigadores esperan que esta estrategia pueda ayudar a diseñar un material de ánodo mejorado en las baterías de próxima generación.

Se publica un artículo sobre su trabajo en la revista Small.

El grafito contiene capas planas de átomos de carbono y, durante la carga de la batería, los átomos de litio se almacenan entre estas capas en un proceso llamado intercalación. Los MXenes también contienen capas que pueden acomodar litio, pero estas capas están hechas de metales de transición como titanio o molibdeno unidos a átomos de carbono o nitrógeno, lo que hace que el material sea altamente conductor. Las superficies de las capas también contienen átomos adicionales, como oxígeno o flúor. Los MXenes basados ​​en carburo de molibdeno tienen una capacidad de almacenamiento de litio particularmente buena, pero su rendimiento pronto se degrada después de repetidos ciclos de carga y descarga.

El equipo, dirigido por Husam N. Alshareef y Ph.D. La estudiante Zahra Bayhan, descubrió que esta degradación es causada por un cambio químico que forma óxido de molibdeno dentro de la estructura del MXene.

Para abordar este problema, los investigadores utilizaron pulsos de láser infrarrojo para crear pequeños "nanopuntos" de carburo de molibdeno dentro del MXene, un proceso llamado trazado láser. Estos nanopuntos, de aproximadamente 10 nanómetros de ancho, estaban conectados a las capas del MXene mediante materiales de carbono.

Esto ofrece varios beneficios. En primer lugar, los nanopuntos proporcionan capacidad de almacenamiento adicional de litio y aceleran el proceso de carga y descarga. El tratamiento con láser también reduce el contenido de oxígeno del material, lo que ayuda a prevenir la formación del problemático óxido de molibdeno. Finalmente, las fuertes conexiones entre los nanopuntos y las capas mejoran la conductividad del MXene y estabilizan su estructura durante la carga y descarga.

Los investigadores fabricaron un ánodo a partir del material grabado con láser y lo probaron en una batería de iones de litio durante más de 1.000 ciclos de carga y descarga. Con los nanopuntos colocados, el material tenía una capacidad de almacenamiento eléctrico cuatro veces mayor que el MXene original y casi alcanzó la capacidad máxima teórica del grafito. El material grabado con láser tampoco mostró pérdida de capacidad durante la prueba de ciclismo.

Aquí, se revela que el rendimiento cíclico inestable de Mo2CTx se atribuye a la oxidación parcial en MoOx con degradación estructural. Se ha desarrollado un ánodo híbrido Mo2CTx/Mo2C (LS-Mo2CTx) inducido por láser, cuyos nanopuntos de Mo2C aumentan la cinética redox y el contenido de oxígeno reducido por láser previene la degradación estructural causada por la oxidación. Mientras tanto, las fuertes conexiones entre los nanopuntos de Mo2C inducidos por láser y las nanoláminas de Mo2CTx mejoran la conductividad y estabilizan la estructura durante el ciclo de carga-descarga.

El ánodo LS-Mo2CTx preparado exhibe una capacidad mejorada de 340 mAh g-1 frente a 83 mAh g-1 (para prístino) y una estabilidad de ciclo mejorada (retención de capacidad de 106,2 % frente a 80,6 % para prístino) durante 1000 ciclos. El enfoque de síntesis inducida por láser subraya el potencial de los materiales híbridos basados ​​en MXene para aplicaciones de almacenamiento de energía de alto rendimiento.

Los investigadores creen que el trazado láser podría aplicarse como estrategia general para mejorar las propiedades de otros MXenes. Esto podría ayudar a desarrollar una nueva generación de baterías recargables que utilicen metales más baratos y abundantes que el litio, por ejemplo. A diferencia del grafito, los MXenes también pueden intercalar iones de sodio y potasio, señala Alshareef.

Recursos

Bayhan, Z., El-Demellawi, JK, Yin, J., Khan, Y., Lei, Y., Alhajji, E., Wang, Q., Hedhili, MN y Alshareef, HN (2023) Un láser inducido Ánodo híbrido Mo2CTx MXene para baterías de Li-ion de alto rendimiento. Doi pequeño: 10.1002/smll.202208253

Publicado el 28 de julio de 2023 en Baterías, Antecedentes del mercado, Materiales | Enlace permanente | Comentarios (0)