پالس‌های لیزر ممکن است به ساخت باتری‌های با ظرفیت بالای نسل آینده کمک کنند

توسعه اخیر دانشگاه علم و صنعت ملک عبدالله (King Abdullah University of Science and Technology) ممکن است به مهندسی مواد آند بهبود یافته در باتری های نسل بعدی کمک کند.

در مقاله‌ای که در مجله Small منتشر شد، محققان KAUST استفاده از پالس‌های لیزری را برای اصلاح ساختار یک ماده الکترود جایگزین امیدوارکننده به نام MXene نشان دادند که ظرفیت انرژی و سایر ویژگی‌های کلیدی آن را افزایش می‌دهد.

در این مطالعه، دانشمندان توضیح می‌دهند که گرافیت حاوی لایه‌های مسطحی از اتم‌های کربن است و در حین شارژ باتری، اتم‌های لیتیوم در بین این لایه‌ها در فرآیندی به نام intercalation ذخیره می‌شوند. MXenها همچنین حاوی لایه‌هایی هستند که می‌توانند لیتیوم را در خود جای دهند، اما این لایه‌ها از فلزات واسطه مانند تیتانیوم یا مولیبدن ساخته شده‌اند که به اتم‌های کربن یا نیتروژن متصل شده‌اند که باعث می‌شود مواد، رسانایی بالایی داشته باشند.

سطوح لایه ها همچنین دارای اتم های اضافی مانند اکسیژن یا فلوئور هستند. MXen های مبتنی بر کاربید مولیبدن ظرفیت ذخیره سازی لیتیوم خوبی دارند، اما عملکرد آنها به زودی پس از چرخه های شارژ و دشارژ مکرر کاهش می یابد.

نقش مولیبدن

تیم KAUST به رهبری Husam N. Alshareef و Zahra Bayhan کشف کردند که این تخریب ناشی از یک تغییر شیمیایی است که اکسید مولیبدن را در ساختار MXene تشکیل می دهد.

برای مقابله با این مشکل، آن‌ها از پالس‌های لیزر مادون قرمز برای ایجاد «نانودت‌های» کوچک کاربید مولیبدن در MXene استفاده کردند، فرآیندی به نام «نوشتن لیزری».

این چندین مزیت را ارائه می دهد. در مرحله اول، نانو نقطه ها ظرفیت ذخیره سازی اضافی برای لیتیوم را فراهم می کنند و فرآیند شارژ و دشارژ را سرعت می بخشند. درمان با لیزر همچنین محتوای اکسیژن مواد را کاهش می دهد و به جلوگیری از تشکیل اکسید مولیبدن مشکل ساز کمک می کند. در نهایت، اتصالات قوی بین نانو نقطه‌ها و لایه‌ها رسانایی MXene را بهبود بخشیده و ساختار آن را در هنگام شارژ و تخلیه تثبیت می‌کند.

Bayhan در بیانیه ای رسانه ای گفت: «این یک راه مقرون به صرفه و سریع برای تنظیم عملکرد باتری فراهم می کند.

محققان یک آند از مواد لیزر شده ساختند و آن را در یک باتری لیتیوم یونی در 1000 سیکل شارژ-دشارژ آزمایش کردند. با قرار گرفتن نانو نقطه‌ها، این ماده چهار برابر ظرفیت ذخیره‌سازی الکتریکی بیشتری نسبت به MXene اصلی داشت و تقریباً به حداکثر ظرفیت نظری گرافیت رسید. مواد لیزر شده همچنین هیچ کاهش ظرفیتی در طول آزمایش نشان نداد.

با توجه به این نتایج، آنها فکر می‌کنند که خط‌نویسی لیزری می‌تواند به عنوان یک استراتژی کلی برای بهبود ویژگی‌های MXen‌های دیگر به کار رود. این می تواند به توسعه نسل جدیدی از باتری های قابل شارژ کمک کند که برای مثال از فلزات ارزان تر و فراوان تر از لیتیوم استفاده می کنند.

الشریف گفت: «برخلاف گرافیت، MXenes می‌تواند یون‌های سدیم و پتاسیم را نیز در هم بگنجاند.