Forscher der King Abdullah University of Science and Technology haben große Fortschritte bei der Speicherung erneuerbarer Energien erzielt, indem sie Laserimpulse zur Verbesserung des Elektrodenmaterials MXene eingesetzt haben. Herkömmliches MXene zersetzt sich im Laufe der Zeit, hauptsächlich aufgrund der Bildung von Molybdänoxid. Mit der Einführung laserbearbeiteter Nanopunkte hat MXene jedoch stärkere Lithiumspeicherkapazitäten und schnellere Ladegeschwindigkeiten gezeigt. Bemerkenswerterweise erreichte das Material in Tests eine mit Graphit vergleichbare Steigerung der Speicherkapazität um das Vierfache, ohne dass ein Kapazitätsverlust beobachtet wurde.
Forscher haben Laserimpulse eingesetzt, um die Elektrodeneigenschaften von MXene zu verbessern und so einen potenziellen Durchbruch in der wiederaufladbaren Batterietechnologie zu schaffen, der herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien übertreffen könnte.
Da sich die globale Gesellschaft erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie zuwendet, steigt die Nachfrage nach wiederaufladbaren Hochleistungsbatterien. Diese Batterien sind für die Speicherung von Energie aus intermittierenden erneuerbaren Energiequellen von entscheidender Bedeutung. Obwohl die heutigen Lithium-Ionen-Batterien effizient sind, gibt es noch Raum für Verbesserungen. Die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien ist eine Möglichkeit, deren Leistung zu verbessern.
ZahraBayhan entwickelt Batterien mit MXenes, die aufgrund ihrer hervorragenden Leitfähigkeit in einigen Batterien Graphit ersetzen können. Bildquelle: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
MXene: ein vielversprechendes Elektrodenmaterial
Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) haben gezeigt, wie Laserpulse verwendet werden können, um die Struktur eines vielversprechenden alternativen Elektrodenmaterials namens MXene zu verändern und dadurch seine Energiekapazität und andere wichtige Eigenschaften zu verbessern. Die Forscher hoffen, dass diese Strategie dazu beitragen wird, bessere Anodenmaterialien für Batterien der nächsten Generation zu entwickeln.
Graphit enthält flache Schichten aus Kohlenstoffatomen, und während des Batterieladens werden Lithiumatome zwischen diesen Schichten gespeichert, ein Prozess, der als Interkalation bezeichnet wird. MXene enthalten auch Schichten, die Lithium aufnehmen können. Diese Schichten bestehen jedoch aus Übergangsmetallen wie Titan oder Molybdän in Kombination mit Kohlenstoff- oder Stickstoffatomen, was dem Material eine hohe Leitfähigkeit verleiht. Die Oberflächen dieser Schichten enthalten auch andere Atome wie Sauerstoff oder Fluor. MXene auf Molybdänkarbidbasis verfügen über besonders gute Lithiumspeicherfähigkeiten, ihre Leistung lässt jedoch nach wiederholten Lade-Entlade-Zyklen schnell nach.
Beheben von Problemen mit Leistungseinbußen
Das Forschungsteam unter der Leitung von Husam N. Alshareef und der Doktorandin Zahra Bayhan entdeckte, dass dieser Abbau durch chemische Veränderungen in der MXene-Struktur verursacht wird, die Molybdänoxid bilden.
Um dieses Problem zu lösen, verwendeten die Forscher Infrarot-Laserimpulse, um in MXene kleine „Nanopunkte“ aus Molybdänkarbid zu bilden, ein Prozess, der als Laserritzen bekannt ist. Diese Nanopunkte sind etwa 10 Nanometer breit und über ein Kohlenstoffmaterial mit der MXene-Schicht verbunden.
Dies hat mehrere Vorteile. Erstens stellen die Nanopunkte zusätzliche Speicherkapazität für Lithium bereit und beschleunigen den Lade- und Entladevorgang. Durch die Laserbehandlung wird außerdem der Sauerstoffgehalt im Material reduziert und so die Bildung des problematischen Molybdänoxids verhindert. Schließlich verbessert die starke Verbindung zwischen den Nanopunkten und den Schichten die Leitfähigkeit von MXene und stabilisiert seine Struktur während des Ladens und Entladens. Dies bietet eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit, die Batterieleistung zu optimieren.
Die Professoren Zahra Bayhan und Husam Alshareef glauben, dass Laserritzen als allgemeine Strategie zur Verbesserung der Leistung anderer MXenes eingesetzt werden kann. Bildquelle: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
Vielversprechende Ergebnisse und zukünftige Anwendungen
Anoden aus diesem laserbeschrifteten Material wurden in Lithium-Ionen-Batterien auf 1.000 Lade-Entlade-Zyklen getestet. Bemerkenswert ist, dass das Material mit hinzugefügten Nanopunkten seine Stromspeicherkapazität im Vergleich zu unmodifiziertem MXene um das Vierfache erhöhte und fast die theoretische Spitzenkapazität von Graphit erreichte. Darüber hinaus behielt das lasermodifizierte Material während der gesamten Testphase seine volle Leistungsfähigkeit.
Das Forschungsteam glaubt, dass Laserritzen als allgemeine Strategie zur Verbesserung der Leistung anderer MXenes eingesetzt werden kann. Dies könnte zur Entwicklung einer neuen Generation wiederaufladbarer Batterien beitragen, beispielsweise unter Verwendung billigerer und häufiger vorkommender Metalle als Lithium. „Im Gegensatz zu Graphit können MXene auch Natrium- und Kaliumionen einbauen“, erklärt Alshareef.