研究人员利用激光脉冲来提高MXene电极的性能 有助于开发下一代电池
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据外媒报道,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究人员利用激光脉冲来调整MXene替代电极材料的结构,从而提高其能量容量和其他关键性能。研究人员希望这一策略有助于改进负极材料设计,以用于下一代电池。
(图片来源:阿卜杜拉国王科技大学)
石墨中含有平坦的碳原子层,在电池充电期间,锂原子嵌入并储存在这些层之间。MXene中也含有可以容纳锂的层,这些层由与碳或氮原子键合的钛或钼等过渡金属制成,从而使这种材料具有高导电性。这些层表面还具有额外的原子,例如氧或氟。基于碳化钼的MXene具有特别好的储锂能力,但是经过反复的充放电循环,其性能会迅速下降。
为了解决这一问题,研究人员利用红外激光脉冲,在MXene中创建小碳化钼“纳米点”(nanodots)。该工艺名为激光划片(laser scribing)。这些纳米点大约有10纳米宽,通过碳材料与 MXene层相结合。该工艺具有若干优势。首先,纳米点可以提供额外的锂存储能力,并加速充放电过程。其次,通过激光处理,可以减少材料中的氧含量,有助于防止形成氧化钼。最后,纳米点和层体之间的强劲结合,可以改善MXene的电导率,在充放电期间使其结构保持稳定。
研究人员利用激光划片材料来制作负极,并在锂离子电池中对其进行了1000多次充放电循环测试。受益于纳米点,该材料的电存储容量是原始MXene的四倍,几乎达到石墨的最大理论容量。在循环测试期间,该激光划片材料也未表现出容量损失。
研究负责人之一Zahra Bayhan表示:“从这里可以看出,Mo2CTx不稳定的循环性能要归因于随结构降解其部分氧化成MoO x。研究人员开发出一种激光诱导Mo2CTx/Mo2C (LS-Mo2CTx)混合负极,其中Mo2C纳米点增强了氧化还原动力学,而且通过激光降低氧含量,可以防止由氧化引起的结构退化。同时,在充放电循环过程中,Mo2C纳米点和Mo2CTx纳米片之间因激光诱导形成的强连接,能够提高导电性,使结构保持稳定。”
所制备的LS-Mo2CTx负极,经过1000次以上的循环后,表现出340 mAh g -1的增强容量(原始容量 83 mAh g -1),并具有更好的循环稳定性,容量保持率为106.2%(原始的容量保持率为80.6%)。这种激光诱导合成方法凸显了基于MXene的混合材料在高性能储能应用中的潜力。
研究人员认为,这种激光划片方法可以作为改善其他MXene材料性能的通用策略。这将有助于开发新一代可充电电池,在电池中使用比锂成本更低、更丰富的金属。与石墨不同,MXene还可以嵌入钠离子和钾离子。
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