Mentre il mondo passa a fonti di energia rinnovabili come quella solare ed eolica, c’è una crescente necessità di batterie ricaricabili ad alte prestazioni per immagazzinare l’energia generata da questa fonte di energia intermittente. Le attuali batterie agli ioni di litio sono buone, ma le loro prestazioni devono ancora essere migliorate; lo sviluppo di nuovi materiali per gli elettrodi è un modo per migliorarne le prestazioni.
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 loro risultati sono pubblicati sulla rivista Small . I ricercatori sperano che questa strategia possa aiutare a progettare un materiale anodico migliore nelle batterie di prossima generazione.
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. In primo luogo, 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. "Ciò fornisce un modo economico e veloce per ottimizzare le prestazioni della batteria", afferma Bayhan.
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 ciclico.
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", spiega Alshareef.
Ulteriori informazioni: Zahra Bayhan et al, Un Mo2 indotto dal laser TCx Anodo ibrido MXene per batterie agli ioni di litio ad alte prestazioni, Piccolo (2023). DOI:10.1002/piccolo.202208253
Informazioni sul giornale: Piccolo
Fornito da King Abdullah University of Science and Technology
