Onderzoekers van de King Abdullah University of Science and Technology hebben grote vooruitgang geboekt op het gebied van de opslag van hernieuwbare energie door laserpulsen te gebruiken om het elektrodemateriaal MXene te verbeteren. Traditioneel MXeen wordt na verloop van tijd afgebroken, voornamelijk als gevolg van de vorming van molybdeenoxide. Met de introductie van met laser bewerkte nanodots heeft MXene echter sterkere lithiumopslagmogelijkheden en hogere oplaadsnelheden laten zien. Opmerkelijk is dat het materiaal in tests een viervoudige toename van de opslagcapaciteit behaalde, vergelijkbaar met grafiet, zonder dat er enig capaciteitsverlies werd waargenomen.
Onderzoekers hebben laserpulsen gebruikt om de elektrode-eigenschappen van MXene te verbeteren, waardoor een potentiële doorbraak in oplaadbare batterijtechnologie werd gecreëerd die traditionele lithium-ionbatterijen zou kunnen overtreffen.
Nu de mondiale samenleving zich richt op hernieuwbare energiebronnen zoals zonne- en windenergie, neemt de vraag naar hoogwaardige oplaadbare batterijen toe. Deze batterijen zijn van cruciaal belang voor het opslaan van energie uit intermitterende hernieuwbare energiebronnen. Hoewel de huidige lithium-ionbatterijen efficiënt zijn, is er nog steeds ruimte voor verbetering. Het ontwikkelen van nieuwe elektrodematerialen is één manier om hun prestaties te verbeteren.
ZahraBayhan ontwikkelt batterijen met MXenen, die vanwege hun uitstekende geleiding in sommige batterijen grafiet kunnen vervangen. Bron afbeelding: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
MXene: een veelbelovend elektrodemateriaal
Onderzoekers van de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) hebben aangetoond hoe laserpulsen kunnen worden gebruikt om de structuur van een veelbelovend alternatief elektrodemateriaal genaamd MXene te veranderen, waardoor de energiecapaciteit en andere belangrijke eigenschappen ervan worden verbeterd. De onderzoekers hopen dat deze strategie zal helpen bij het ontwerpen van betere anodematerialen in batterijen van de volgende generatie.
Grafiet bevat platte lagen koolstofatomen en tijdens het opladen van de batterij worden lithiumatomen tussen deze lagen opgeslagen, 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 gecombineerd met koolstof- of stikstofatomen, waardoor het materiaal goed geleidend is. De oppervlakken van deze lagen bevatten ook andere atomen zoals zuurstof of fluor. Op molybdeencarbide gebaseerde MXenen hebben bijzonder goede lithiumopslagmogelijkheden, maar hun prestaties gaan snel achteruit na herhaalde laad-ontlaadcycli.
Problemen met prestatievermindering oplossen
Het onderzoeksteam, onder leiding van Husam N. Alsshareef en promovendus Zahra Bayhan, ontdekte dat deze afbraak wordt veroorzaakt door chemische veranderingen in de MXeen-structuur die molybdeenoxide vormen.
Om dit probleem op te lossen, gebruikten de onderzoekers infraroodlaserpulsen om kleine "nanodots" van molybdeencarbide in MXene te vormen, een proces dat bekend staat als laserschrijven. Deze nanodots zijn ongeveer 10 nanometer breed en zijn via een koolstofmateriaal verbonden met de laag MXene.
Er zijn verschillende voordelen om dit te doen. Ten eerste zorgen de nanodots voor extra opslagcapaciteit voor lithium en versnellen ze het laad- en ontlaadproces. Laserbehandeling vermindert ook het zuurstofgehalte in het materiaal, waardoor de vorming van problematisch molybdeenoxide wordt voorkomen. Ten slotte verbetert de sterke verbinding tussen de nanodots en de lagen de geleidbaarheid van MXene en stabiliseert de structuur ervan tijdens het laden en ontladen. Dit biedt een voordelige en snelle manier om de batterijprestaties af te stemmen.
Hoogleraren Zahra Bayhan en Husam Alsshareef zijn van mening dat laserschrijven kan worden gebruikt als een algemene strategie om de prestaties van andere MXenen te verbeteren. Bron afbeelding: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
Veelbelovende resultaten en toekomstige toepassingen
Anodes gemaakt van dit lasergeschreven materiaal werden getest gedurende 1000 laad-ontlaadcycli in lithium-ionbatterijen. Met name het materiaal met toegevoegde nanodots verhoogde zijn elektriciteitsopslagcapaciteit met vier keer vergeleken met ongemodificeerd MXene, waardoor bijna de theoretische piekcapaciteit van grafiet werd bereikt. Bovendien behield het lasergemodificeerde materiaal zijn volledige capaciteit tijdens de testfase.
Het onderzoeksteam is van mening dat laserschrijven kan worden gebruikt als algemene strategie om de prestaties van andere MXenen te verbeteren. Dit zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van een nieuwe generatie oplaadbare batterijen, waarbij bijvoorbeeld goedkopere en overvloedigere metalen worden gebruikt dan lithium. "In tegenstelling tot grafiet kunnen MXenen ook natrium- en kaliumionen bevatten", legt Alsshareef uit.