據(jù)報(bào)道,沙特阿拉伯的阿卜杜拉國王科技大學(xué)(KAUST)的研究人員最近使用激光脈沖來增強(qiáng)MXene的電極性能,從而在可充電電池技術(shù)上取得了突破,可能超越傳統(tǒng)的鋰離子電池。
據(jù)悉,MXene是材料科學(xué)中的一類二維無機(jī)化合物。這些材料由幾個(gè)原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構(gòu)成。它最初于2011年被發(fā)現(xiàn),由于MXene材料表面有羥基或末端氧,它們有著過渡金屬碳化物的金屬導(dǎo)電性。
正是由于MXene獨(dú)特的性能,使其迅速成為研究熱點(diǎn),也是繼石墨烯之后最受關(guān)注的二維納米材料之一,并已廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、催化、吸附等眾多領(lǐng)域。
隨著全球社會(huì)轉(zhuǎn)向太陽能和風(fēng)能等可再生能源,對高性能可充電電池的需求正在加劇。這些電池對于儲(chǔ)存來自間歇性可再生能源的能量至關(guān)重要。雖然今天的鋰離子電池是有效的,但仍有改進(jìn)提升的空間。開發(fā)新的電極材料是提高其性能的一種方法。
因此,KAUST就試圖使用激光脈沖來修改MXene的結(jié)構(gòu),提高其能量容量和其他關(guān)鍵性能。研究人員希望這一策略可以幫助設(shè)計(jì)出下一代電池中改進(jìn)的陽極材料。最新研究成果已于近期被發(fā)表在了《Small》雜志上。
研究人員解釋稱,石墨含有扁平的碳原子層,在電池充電過程中,鋰原子被儲(chǔ)存在這些層之間,這一過程被稱為嵌入。MXenes也包含可以容納鋰的層,但這些層是由過渡金屬如鈦或鉬與碳或氮原子結(jié)合而成的,這使得材料具有高導(dǎo)電性。
另外,這些層的表面還具有額外的原子,如氧或氟?;谔蓟f的MXenes具有特別好的鋰存儲(chǔ)能力,但在反復(fù)充放電循環(huán)后,其性能很快下降。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),這種降解是由MXene結(jié)構(gòu)中形成氧化鉬的化學(xué)變化引起的。
為了解決這個(gè)問題,研究人員使用紅外激光脈沖在MXene中制造出碳化鉬的小“納米點(diǎn)”,這一過程被稱為激光劃線。這些大約10納米寬的納米點(diǎn)通過碳材料連接到MXene的層上。
這提供了幾個(gè)好處。首先,納米點(diǎn)為鋰提供了額外的存儲(chǔ)容量,并加快了充放電過程。激光處理還降低了材料的氧含量,有助于防止氧化鉬的形成。最后,納米點(diǎn)和層之間的強(qiáng)連接提高了MXene的導(dǎo)電性,并在充放電過程中穩(wěn)定了其結(jié)構(gòu)。
研究人員說,“這為調(diào)整電池性能提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且快速的方法。”
研究人員用這種新型陽極制成的鋰離子電池進(jìn)行了超過1000次充放電循環(huán)的測試。值得注意的是,與未改變的MXene相比,納米點(diǎn)的材料表現(xiàn)出四倍的電存儲(chǔ)容量激增,幾乎與石墨的理論峰值容量相匹配。此外,這種激光改性材料在整個(gè)測試階段保持了其全部容量。
該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,激光脈沖可以作為一種通用策略來改善其他MXenes的性能。例如,這有助于開發(fā)新一代可充電電池,這種電池使用比鋰更便宜、更豐富的金屬。
“與石墨不同,MXenes也可以嵌入鈉離子和鉀離子,”他們說。
據(jù)悉,MXene是材料科學(xué)中的一類二維無機(jī)化合物。這些材料由幾個(gè)原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構(gòu)成。它最初于2011年被發(fā)現(xiàn),由于MXene材料表面有羥基或末端氧,它們有著過渡金屬碳化物的金屬導(dǎo)電性。
正是由于MXene獨(dú)特的性能,使其迅速成為研究熱點(diǎn),也是繼石墨烯之后最受關(guān)注的二維納米材料之一,并已廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、催化、吸附等眾多領(lǐng)域。
隨著全球社會(huì)轉(zhuǎn)向太陽能和風(fēng)能等可再生能源,對高性能可充電電池的需求正在加劇。這些電池對于儲(chǔ)存來自間歇性可再生能源的能量至關(guān)重要。雖然今天的鋰離子電池是有效的,但仍有改進(jìn)提升的空間。開發(fā)新的電極材料是提高其性能的一種方法。
因此,KAUST就試圖使用激光脈沖來修改MXene的結(jié)構(gòu),提高其能量容量和其他關(guān)鍵性能。研究人員希望這一策略可以幫助設(shè)計(jì)出下一代電池中改進(jìn)的陽極材料。最新研究成果已于近期被發(fā)表在了《Small》雜志上。
研究人員解釋稱,石墨含有扁平的碳原子層,在電池充電過程中,鋰原子被儲(chǔ)存在這些層之間,這一過程被稱為嵌入。MXenes也包含可以容納鋰的層,但這些層是由過渡金屬如鈦或鉬與碳或氮原子結(jié)合而成的,這使得材料具有高導(dǎo)電性。
另外,這些層的表面還具有額外的原子,如氧或氟?;谔蓟f的MXenes具有特別好的鋰存儲(chǔ)能力,但在反復(fù)充放電循環(huán)后,其性能很快下降。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),這種降解是由MXene結(jié)構(gòu)中形成氧化鉬的化學(xué)變化引起的。
為了解決這個(gè)問題,研究人員使用紅外激光脈沖在MXene中制造出碳化鉬的小“納米點(diǎn)”,這一過程被稱為激光劃線。這些大約10納米寬的納米點(diǎn)通過碳材料連接到MXene的層上。
這提供了幾個(gè)好處。首先,納米點(diǎn)為鋰提供了額外的存儲(chǔ)容量,并加快了充放電過程。激光處理還降低了材料的氧含量,有助于防止氧化鉬的形成。最后,納米點(diǎn)和層之間的強(qiáng)連接提高了MXene的導(dǎo)電性,并在充放電過程中穩(wěn)定了其結(jié)構(gòu)。
研究人員說,“這為調(diào)整電池性能提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且快速的方法。”
研究人員用這種新型陽極制成的鋰離子電池進(jìn)行了超過1000次充放電循環(huán)的測試。值得注意的是,與未改變的MXene相比,納米點(diǎn)的材料表現(xiàn)出四倍的電存儲(chǔ)容量激增,幾乎與石墨的理論峰值容量相匹配。此外,這種激光改性材料在整個(gè)測試階段保持了其全部容量。
該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,激光脈沖可以作為一種通用策略來改善其他MXenes的性能。例如,這有助于開發(fā)新一代可充電電池,這種電池使用比鋰更便宜、更豐富的金屬。
“與石墨不同,MXenes也可以嵌入鈉離子和鉀離子,”他們說。