A medida que el mundo hace la transición hacia fuentes de energía renovables como la solar y la eólica, existe una necesidad creciente de baterías recargables de alto rendimiento para almacenar la energía generada por esta fuente de energía intermitente. Las baterías de iones de litio actuales son buenas, pero aún es necesario mejorar su rendimiento; desarrollar nuevos materiales para electrodos es una forma de mejorar su rendimiento.
Los investigadores de KAUST han demostrado el uso de pulsos láser para modificar la estructura de un prometedor material de electrodo alternativo conocido como MXene, aumentando su capacidad energética y otras propiedades clave. Sus hallazgos se publican en la revista Small. . Los investigadores esperan que esta estrategia pueda ayudar a diseñar un material de ánodo mejorado en baterías de próxima generación.
El grafito contiene capas planas de átomos de carbono y, durante la carga de la batería, los átomos de litio se almacenan entre estas capas en un proceso llamado intercalación. Los MXenes también contienen capas que pueden albergar litio, pero estas capas están hechas de metales de transición como titanio o molibdeno unidos a átomos de carbono o nitrógeno, lo que hace que el material sea altamente conductor.
Las superficies de las capas también contienen átomos adicionales, como oxígeno o flúor. Los MXenes basados en carburo de molibdeno tienen una capacidad de almacenamiento de litio particularmente buena, pero su rendimiento pronto se degrada después de repetidos ciclos de carga y descarga.
El equipo, dirigido por Husam N. Alshareef y Ph.D. La estudiante Zahra Bayhan, descubrió que esta degradación es causada por un cambio químico que forma óxido de molibdeno dentro de la estructura del MXene.
Para abordar este problema, los investigadores utilizaron pulsos de láser infrarrojo para crear pequeños "nanopuntos" de carburo de molibdeno dentro del MXene, un proceso llamado trazado láser. Estos nanopuntos, de aproximadamente 10 nanómetros de ancho, estaban conectados a las capas del MXene mediante materiales de carbono.
Esto ofrece varios beneficios. En primer lugar, los nanopuntos proporcionan capacidad de almacenamiento adicional de litio y aceleran el proceso de carga y descarga. El tratamiento con láser también reduce el contenido de oxígeno del material, lo que ayuda a prevenir la formación del problemático óxido de molibdeno. Finalmente, las fuertes conexiones entre los nanopuntos y las capas mejoran la conductividad del MXene y estabilizan su estructura durante la carga y descarga. "Esto proporciona una forma rápida y rentable de ajustar el rendimiento de la batería", afirma Bayhan.
Los investigadores fabricaron un ánodo a partir del material grabado con láser y lo probaron en una batería de iones de litio durante más de 1.000 ciclos de carga y descarga. Con los nanopuntos colocados, el material tenía una capacidad de almacenamiento eléctrico cuatro veces mayor que el MXene original y casi alcanzó la capacidad máxima teórica del grafito. El material grabado con láser tampoco mostró pérdida de capacidad durante la prueba de ciclismo.
Los investigadores creen que el trazado láser podría aplicarse como estrategia general para mejorar las propiedades de otros MXenes. Esto podría ayudar a desarrollar una nueva generación de baterías recargables que utilicen metales más baratos y abundantes que el litio, por ejemplo. "A diferencia del grafito, los MXenes también pueden intercalar iones de sodio y potasio", explica Alshareef.
Más información: Zahra Bayhan et al, Un Mo2 inducido por láser CTx Ánodo híbrido MXene para baterías de iones de litio de alto rendimiento, pequeño (2023). DOI:10.1002/smll.202208253
Información de la revista: Pequeño
Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah
