據(jù)報(bào)道，沙特阿拉伯的阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的研究人員最近使用激光脈沖來(lái)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(lèi)二維無(wú)機(jī)化合物。這些材料由幾個(gè)原子層厚度的過(guò)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(guò)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(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源，對(duì)高性能可充電電池的需求正在加劇。這些電池對(duì)于儲(chǔ)存來(lái)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(kāi)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(lái)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(yáng)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(chēng)，石墨含有扁平的碳原子層，在電池充電過(guò)程中，鋰原子被儲(chǔ)存在這些層之間，這一過(guò)程被稱(chēng)為嵌入。MXenes也包含可以容納鋰的層，但這些層是由過(guò)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。基于碳化鉬的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(wèn)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(guò)程被稱(chēng)為激光劃線。這些大約10納米寬的納米點(diǎn)通過(guò)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(guò)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(guò)程中穩(wěn)定了其結(jié)構(gòu)。
研究人員說(shuō)，“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(yáng)極制成的鋰離子電池進(jìn)行了超過(guò)1000次充放電循環(huán)的測(cè)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(cè)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(lái)改善其他MXenes的性能。例如，這有助于開(kāi)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(shuō)。
據(jù)悉，MXene是材料科學(xué)中的一類(lèi)二維無(wú)機(jī)化合物。這些材料由幾個(gè)原子層厚度的過(guò)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(guò)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(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源，對(duì)高性能可充電電池的需求正在加劇。這些電池對(duì)于儲(chǔ)存來(lái)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(kāi)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(lái)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(yáng)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(chēng)，石墨含有扁平的碳原子層，在電池充電過(guò)程中，鋰原子被儲(chǔ)存在這些層之間，這一過(guò)程被稱(chēng)為嵌入。MXenes也包含可以容納鋰的層，但這些層是由過(guò)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。基于碳化鉬的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(wèn)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(guò)程被稱(chēng)為激光劃線。這些大約10納米寬的納米點(diǎn)通過(guò)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(guò)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(guò)程中穩(wěn)定了其結(jié)構(gòu)。
研究人員說(shuō)，“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(yáng)極制成的鋰離子電池進(jìn)行了超過(guò)1000次充放電循環(huán)的測(cè)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(cè)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(lái)改善其他MXenes的性能。例如，這有助于開(kāi)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(shuō)。
