KAUST usa pulsos de laser para aumentar o desempenho do eletrodo MXene

Os pesquisadores da KAUST demonstraram o uso de pulsos de laser para modificar a estrutura de um material de eletrodo alternativo promissor conhecido como MXene, aumentando sua capacidade energética e outras propriedades importantes. Os pesquisadores esperam que esta estratégia possa ajudar a projetar um material anódico melhorado em baterias de próxima geração.

Um artigo sobre seu trabalho foi publicado na revista Small.

A grafite contém camadas planas de átomos de carbono e, durante o carregamento da bateria, os átomos de lítio são armazenados entre essas camadas em um processo chamado intercalação. Os MXenes também contêm camadas que podem acomodar lítio, mas essas camadas são feitas de metais de transição, como titânio ou molibdênio, ligados a átomos de carbono ou nitrogênio, o que torna o material altamente condutor. As superfícies das camadas também apresentam átomos adicionais, como oxigênio ou flúor. MXenes baseados em carboneto de molibdênio têm capacidade de armazenamento de lítio particularmente boa, mas seu desempenho logo se degrada após repetidos ciclos de carga e descarga.

A equipe, liderada por Husam N. Alshareef e Ph.D. a estudante Zahra Bayhan descobriu que essa degradação é causada por uma mudança química que forma óxido de molibdênio dentro da estrutura do MXene.

Para resolver esse problema, os pesquisadores usaram pulsos de laser infravermelho para criar pequenos “nanopontos” de carboneto de molibdênio dentro do MXene, um processo chamado gravação a laser. Esses nanopontos, com aproximadamente 10 nanômetros de largura, foram conectados às camadas do MXene por materiais de carbono.

Isso oferece vários benefícios. Primeiro, os nanopontos fornecem capacidade adicional de armazenamento de lítio e aceleram o processo de carga e descarga. O tratamento a laser também reduz o teor de oxigênio do material, ajudando a prevenir a formação do problemático óxido de molibdênio. Finalmente, fortes conexões entre os nanopontos e as camadas melhoram a condutividade do MXene e estabilizam sua estrutura durante a carga e descarga.

Os pesquisadores fizeram um ânodo com o material gravado a laser e o testaram em uma bateria de íons de lítio durante mais de 1.000 ciclos de carga-descarga. Com os nanopontos instalados, o material tinha uma capacidade de armazenamento elétrico quatro vezes maior que o MXene original e quase atingiu a capacidade máxima teórica do grafite. O material gravado a laser também não apresentou perda de capacidade durante o teste de ciclagem.

Aqui, é revelado que o desempenho de ciclagem instável do Mo2CTx é atribuído à oxidação parcial em MoOx com degradação estrutural. Foi desenvolvido um ânodo híbrido Mo2CTx / Mo2C (LS-Mo2CTx) induzido por laser, do qual os nanopontos Mo2C aumentam a cinética redox, e o conteúdo de oxigênio reduzido pelo laser evita a degradação estrutural causada pela oxidação. Enquanto isso, as fortes conexões entre os nanopontos Mo2C induzidos por laser e as nanofolhas Mo2CTx melhoram a condutividade e estabilizam a estrutura durante o ciclo de carga-descarga.

O ânodo LS-Mo2CTx preparado exibe uma capacidade aprimorada de 340 mAh g-1 vs 83 mAh g-1 (para puro) e uma estabilidade de ciclagem aprimorada (retenção de capacidade de 106,2% vs 80,6% para puro) ao longo de 1000 ciclos. A abordagem de síntese induzida por laser destaca o potencial dos materiais híbridos baseados em MXene para aplicações de armazenamento de energia de alto desempenho.

Os pesquisadores acreditam que a gravação a laser poderia ser aplicada como uma estratégia geral para melhorar as propriedades de outros MXenes. Isto poderia ajudar a desenvolver uma nova geração de baterias recarregáveis ​​que utilizam metais mais baratos e abundantes do que o lítio, por exemplo. Ao contrário do grafite, os MXenes também podem intercalar íons de sódio e potássio, observa Alshareef.

Recursos

Bayhan, Z., El-Demellawi, JK, Yin, J., Khan, Y., Lei, Y., Alhajji, E., Wang, Q., Hedhili, MN & Alshareef, HN (2023) Um laser induzido Ânodo híbrido Mo2CTx MXene para baterias de íons de lítio de alto desempenho. Doi pequeno: 10.1002/smll.202208253

Postado em 28 de julho de 2023 em Baterias, histórico de mercado, materiais | Link permanente | Comentários (0)