پالس های لیزری ممکن است به توسعه نسل بعدی باتری های با ظرفیت بالا کمک کنند

اخیراً، دانشگاه علم و صنعت ملک عبدالله (KAUST) یک نتیجه تحقیقاتی ارائه کرده است که ممکن است به بهبود مواد آند برای باتری‌های نسل بعدی کمک کند.
گزارش شده است که KAUST استفاده از پالس های لیزر را برای اصلاح ساختار یک ماده الکترود جایگزین بالقوه به نام "MXene" به منظور بهبود ظرفیت انرژی و سایر خواص کلیدی آن نشان داده است.
در این مطالعه، دانشمندان توضیح دادند که گرافیت حاوی لایه‌های مسطحی از اتم‌های کربن است و در حین شارژ باتری، اتم‌های لیتیوم بین این لایه‌ها در فرآیندی به نام «جاسازی» ذخیره می‌شوند. ساختار ماده «MXene» همچنین حاوی لایه‌هایی است که می‌توانند لیتیوم را در خود نگه دارند، اما این لایه‌ها از فلزات واسطه مانند تیتانیوم یا مولیبدن ترکیب شده با اتم‌های کربن یا نیتروژن ساخته شده‌اند که باعث می‌شود مواد رسانایی بالایی داشته باشند.
این لایه ها همچنین دارای اتم های اضافی مانند اکسیژن یا فلوئور بر روی سطوح خود هستند. ساختار مواد مبتنی بر کاربید مولیبدن "MXene" ظرفیت ذخیره سازی لیتیوم خوبی دارد، اما عملکرد آن نیز پس از چرخه های شارژ/تخلیه مکرر به سرعت بدتر می شود.
تیم KAUST به رهبری Husam N. Alshareef و Zahra Bayhan دریافتند که این تخریب ناشی از تغییرات شیمیایی در ساختار MXene است که اکسید مولیبدن را تشکیل می دهد.
برای حل این مشکل، آنها از پالس های لیزر مادون قرمز برای ایجاد "نانودات" کوچک کاربید مولیبدن در ساختار ماده "MXene" استفاده کردند، فرآیندی که به نام "نوشتن لیزری" شناخته می شود. این نانو نقطه‌ها که حدود 10 نانومتر عرض دارند، توسط کربن به لایه‌های ساختار MXene متصل می‌شوند.
این چندین مزیت را ارائه می دهد: اول، نانو نقطه ها ظرفیت ذخیره سازی اضافی برای لیتیوم را فراهم می کنند و فرآیند شارژ و تخلیه را سرعت می بخشند. درمان با لیزر همچنین محتوای اکسیژن مواد را کاهش می دهد و به جلوگیری از تشکیل اکسیدهای مولیبدن مشکل ساز کمک می کند. در نهایت، اتصالات قوی بین نانو نقطه‌ها و لایه‌ها، هدایت الکتریکی ساختار ماده «MXene» را بهبود می‌بخشد و آن را در طول فرآیند شارژ و دشارژ تثبیت می‌کند.
در بیانیه مطبوعاتی، Bayhan گفت: "این یک راه مقرون به صرفه و سریع برای تنظیم عملکرد باتری ها است."
محققان یک آند با مواد محتوی لیزری ساختند و آن را در یک باتری لیتیوم یونی با بیش از 1،{3}} چرخه شارژ-تخلیه آزمایش کردند. با نانو نقطه‌ها، ظرفیت ذخیره‌سازی الکتریکی این ماده چهار برابر بیشتر از MXene اصلی بود و تقریباً به حداکثر ظرفیت نظری گرافیت رسید. مواد حکاکی شده با لیزر نیز هیچ کاهش ظرفیتی در تست‌های دوچرخه سواری نشان نداد.
با توجه به این نتایج، آنها بر این باورند که کتیبه لیزری می تواند به عنوان یک استراتژی کلی برای بهبود عملکرد سایر ساختارهای مواد "MXenes" استفاده شود. به عنوان مثال، این می تواند منجر به توسعه نسل جدیدی از باتری های قابل شارژ با استفاده از فلزی ارزان تر و فراوان تر از لیتیوم شود. علاوه بر این، برخلاف گرافیت، ساختارهای مواد MXenes را می توان با یون های سدیم و پتاسیم نیز جاسازی کرد.