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近日，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（King Abdullah University，KAUST）了一項(xiàng)研究成果，該成果可能有助于改進(jìn)下一代電池的陽(yáng)極材料。
據(jù)悉，KAUST展示了使用激光脈沖來(lái)修改一種被稱為“MXene”的有潛力替代電極材料的結(jié)構(gòu)，提高其能量容量和其他關(guān)鍵性能。
在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們解釋稱，石墨含有扁平的碳原子層，在電池充電期間，鋰原子在這些層之間存儲(chǔ)，這一過(guò)程被稱為“嵌入”。“MXene”材料結(jié)構(gòu)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。
這些層的表面還具有額外的原子，如氧或氟。基于碳化鉬的“MXene”材料結(jié)構(gòu)具有特別好的鋰存儲(chǔ)能力，但在反復(fù)充放電循環(huán)后，其性能也會(huì)很快下降。
由Husam N． Alshareef和Zahra Bayhan領(lǐng)導(dǎo)的KAUST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，他們使用紅外激光脈沖在“MXene”材料結(jié)構(gòu)中制造出碳化鉬的小“納米點(diǎn)”，這一過(guò)程被稱為“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”材料結(jié)構(gòu)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，有助于防止有問(wèn)題的氧化鉬的形成。最后，納米點(diǎn)和層之間的強(qiáng)連接提高了“MXene”材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性，并在充放電過(guò)程中穩(wěn)定了其結(jié)構(gòu)。
Bayhan在一份媒體聲明中表示：“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。”
研究人員用激光刻寫材料制作了一個(gè)陽(yáng)極，并在鋰離子電池中進(jìn)行了1000多次充放電循環(huán)測(cè)試。有了納米點(diǎn)，這種材料的電存儲(chǔ)容量比原來(lái)的MXene高4倍，幾乎達(dá)到了石墨的理論最大容量。激光刻錄材料在循環(huán)測(cè)試中也沒(méi)有顯示出容量損失。
鑒于這些結(jié)果，他們認(rèn)為激光刻劃可以作為一種通用策略來(lái)改善其他“MXenes”材料結(jié)構(gòu)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。另外，與石墨不同，MXenes材料結(jié)構(gòu)也可以嵌入鈉離子和鉀離子。