Laserbehandeling bleek de batterijprestaties te verbeteren

Nu de wereld overgaat op hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind, is er een groeiende behoefte aan krachtige oplaadbare batterijen om de energie op te slaan die wordt opgewekt door deze intermitterende energiebron. De huidige lithium-ionbatterijen zijn goed, maar hun prestaties moeten nog worden verbeterd; het ontwikkelen van nieuwe elektrodematerialen is een manier om hun prestaties te verbeteren.

KAUST-onderzoekers hebben het gebruik van laserpulsen aangetoond om de structuur van een veelbelovend alternatief elektrodemateriaal, bekend als MXene, te wijzigen, waardoor de energiecapaciteit en andere belangrijke eigenschappen worden vergroot. Hun bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Klein. De onderzoekers hopen dat deze strategie kan helpen bij het ontwikkelen van een verbeterd anodemateriaal in batterijen van de volgende generatie.

Grafiet bevat platte lagen koolstofatomen en tijdens het opladen van de batterij worden lithiumatomen tussen deze lagen opgeslagen in een proces dat intercalatie wordt genoemd. MXenen bevatten ook lagen die geschikt zijn voor lithium, maar deze lagen zijn gemaakt van overgangsmetalen zoals titanium of molybdeen gebonden aan koolstof- of stikstofatomen, waardoor het materiaal sterk geleidend is.

De oppervlakken van de lagen bevatten ook extra atomen zoals zuurstof of fluor. MXenen op basis van molybdeencarbide hebben een bijzonder goede opslagcapaciteit voor lithium, maar hun prestaties nemen snel af na herhaalde laad- en ontlaadcycli.

Het team, geleid door Husam N. Alshareef en Ph.D. student Zahra Bayhan, ontdekte dat deze afbraak wordt veroorzaakt door een chemische verandering die molybdeenoxide vormt in de structuur van MXene.

Om dit probleem aan te pakken, gebruikten de onderzoekers infrarode laserpulsen om kleine “nanodots” van molybdeencarbide in de MXene te creëren, een proces dat laserschrijven wordt genoemd. Deze nanodots, ongeveer 10 nanometer breed, waren door koolstofmaterialen verbonden met de MXene-lagen.

Dit biedt verschillende voordelen. Ten eerste zorgen de nanodots voor extra opslagcapaciteit voor lithium en versnellen ze het laad- en ontlaadproces. De laserbehandeling vermindert ook het zuurstofgehalte van het materiaal, waardoor de vorming van problematisch molybdeenoxide wordt voorkomen. Ten slotte verbeteren sterke verbindingen tussen de nanodots en de lagen de geleidbaarheid van de MXene en stabiliseren ze de structuur tijdens opladen en ontladen. “Dit biedt een kosteneffectieve en snelle manier om de batterijprestaties af te stemmen”, zegt Bayhan.

De onderzoekers maakten een anode van het lasergekraste materiaal en testten het in een lithium-ionbatterij gedurende 1000 laad-ontlaadcycli. Met de nanodots op hun plaats had het materiaal een vier keer hogere elektrische opslagcapaciteit dan het originele MXene en bereikte het bijna de theoretische maximale capaciteit van grafiet. Het laserbeschreven materiaal vertoonde ook geen capaciteitsverlies tijdens de fietstest.

De onderzoekers denken dat laserschrijven kan worden toegepast als algemene strategie om de eigenschappen van andere MXenen te verbeteren. Dit zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van een nieuwe generatie oplaadbare batterijen die goedkopere en overvloedigere metalen gebruiken dan bijvoorbeeld lithium. “In tegenstelling tot grafiet kunnen MXenes ook natrium- en kaliumionen intercaleren”, legt Alshareef uit.