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Jun 05, 2024

Behandlung von MXene-Elektroden mit Laser zur Verbesserung von Li

klyaksun/iStock Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden. Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien

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Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien haben herausgefunden, dass das Laserritzen oder die Erzeugung von Nanopunkten auf der Elektrode der Batterie deren Speicherkapazität und Stabilität verbessern kann. Die Methode kann auf ein alternatives Material für Elektroden namens MXene angewendet werden.

Lithium-Ionen-Batterien weisen in ihren weit verbreiteten Anwendungen mehrere Mängel auf, und Forscher auf der ganzen Welt versuchen, entweder Verbesserungen an der Technologie vorzunehmen oder bessere Alternativen zu finden.

MXene sind eine Klasse zweidimensionaler Materialien, die aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen bestehen, die an Metalle wie Titan oder Molybdän gebunden sind. Obwohl diese Materialien aus Keramik bestehen, verfügen sie über eine gute Leitfähigkeit und eine hohe Kapazität, was sie ideal für den Einsatz in Energiespeicheranwendungen wie Batterien macht.

Lithium-Ionen-Batterien verwenden Graphitelektroden, die Schichten aus Kohlenstoffatomen enthalten. Wenn eine Batterie aufgeladen wird, werden Lithiumionen zwischen diesen Schichten gespeichert, ein Prozess, den Wissenschaftler als Interkalation bezeichnen.

Als Elektrodenmaterial werden MXene gegenüber Graphit bevorzugt, da sie zusätzlichen Speicherraum für die Interkalation von Lithiumionen bieten. Das Problem besteht jedoch darin, dass die höhere Speicherkapazität nach wiederholten Lade- und Entladezyklen abnimmt.

Forscher von KAUST fanden heraus, dass die Ursache für den Kapazitätsabbau eine chemische Veränderung war, die zur Bildung von Molybdänoxid innerhalb der MXene-Struktur führte.

Das von Husam N. Alshareef geleitete Forschungsteam verwendete einen Prozess namens Laser Scribing, bei dem Impulse von Infrarotlasern verwendet wurden, um „Nanodots“ auf Molybdäncarbid auf den MXene-Elektroden zu erzeugen. Diese Nanopunkte seien etwa 10 Nanometer breit und über Kohlenstoffmaterialien mit den MXene-Schichten verbunden, heißt es in der Pressemitteilung.

Das laserbeschriftete Material wurde zur Herstellung einer Anode verwendet und in einer Lithium-Ionen-Batterie über 1.000 Lade-Entlade-Zyklen getestet. Die Forscher fanden heraus, dass die Anode mit Nanopunkten eine viermal höhere elektrische Speicherkapazität hatte als die ohne und außerdem in der Lage war, die theoretische maximale Kapazität von Graphit zu erreichen. Darüber hinaus gab es auch nach 1.000 Zyklen keinen Leistungsabfall.

Die Forscher führen die verbesserte Leistung des laserbeschrifteten Materials auf mehrere Faktoren zurück. Durch die Bildung von Nanopunkten entsteht zusätzlicher Speicherraum für die Einlagerung von Lithiumionen, wodurch der Ladevorgang beschleunigt wird. Es reduziert außerdem den Sauerstoffgehalt im Material, wodurch die Bildung von Molybdänoxid und die Verschlechterung der Leistung der MXene-Elektrode weiter verhindert werden.

Die Verbindungen zwischen den Nanopunkten und den Schichten verbessern die Leitfähigkeit des Materials weiter und stabilisieren seine Struktur. Die Forscher sind zuversichtlich, dass der Ansatz als Strategie zur Verbesserung der Leistung von MXenen eingesetzt werden könnte, die auch andere Metalle verwenden.

Während die Lithiumpreise aufgrund der hohen Nachfrage heutzutage in die Höhe schießen, können MXene auch mit häufiger vorkommenden Metallionen wie Natrium und Kalium funktionieren. Dies könnte auch zur Entwicklung einer neuen Generation wiederaufladbarer Batterien führen.

„Dies bietet eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit, die Batterieleistung zu optimieren“, fügte Zahra Bayhan hinzu, die als Doktorandin an dem Ansatz gearbeitet hat. Student bei KAUST.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Small veröffentlicht.

Abstrakt

MXene, eine schnell wachsende Familie zweidimensionaler (2D) Übergangsmetallcarbide/-nitride, sind vielversprechend für Anwendungen in der Elektronik und Energiespeicherung. Insbesondere Mo2CTx MXene hat als Anode für Li-Ionen-Batterien eine höhere Kapazität als andere MXene gezeigt. Allerdings geht eine solche erhöhte Kapazität mit einer langsamen Kinetik und einer schlechten Zyklenstabilität einher. Hierin wird offenbart, dass die instabile Zyklenleistung von Mo2CTx auf die teilweise Oxidation zu MoOx mit strukturellem Abbau zurückzuführen ist. Es wurde eine laserinduzierte Mo2CTx/Mo2C (LS-Mo2CTx)-Hybridanode entwickelt, deren Mo2C-Nanopunkte die Redoxkinetik steigern und der laserreduzierte Sauerstoffgehalt den durch Oxidation verursachten Strukturabbau verhindert. Unterdessen verbessern die starken Verbindungen zwischen den laserinduzierten Mo2C-Nanopunkten und Mo2CTx-Nanoblättern die Leitfähigkeit und stabilisieren die Struktur während des Lade-Entlade-Zyklus. Die so vorbereitete LS-Mo2CTx-Anode weist eine erhöhte Kapazität von 340 mAh g-1 gegenüber 83 mAh g-1 (für makelloses Material) und eine verbesserte Zyklenstabilität (Kapazitätserhaltung von 106,2 % gegenüber 80,6 % für makelloses Material) über 1000 Zyklen auf. Der laserinduzierte Syntheseansatz unterstreicht das Potenzial MXene-basierter Hybridmaterialien für Hochleistungs-Energiespeicheranwendungen.