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Jun 05, 2024

Tratamiento de electrodos MXene con láser para mejorar Li

klyaksun/iStock Al suscribirse, acepta nuestros Términos de uso y políticas. Puede cancelar la suscripción en cualquier momento. Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST) en Arabia Saudita

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Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST) en Arabia Saudita han descubierto que el trazado con láser o la creación de nanopuntos en el electrodo de la batería puede mejorar su capacidad de almacenamiento y estabilidad. El método se puede aplicar a un material alternativo para electrodos llamado MXene.

Las baterías de iones de litio tienen múltiples deficiencias en sus aplicaciones generalizadas, y los investigadores de todo el mundo buscan mejorar la tecnología o encontrar mejores alternativas.

Los MXenos son una clase de materiales bidimensionales hechos de átomos de carbono y nitrógeno unidos a metales como el titanio o el molibdeno. Aunque son cerámicos, estos materiales tienen buena conductividad y alta capacitancia, lo que los hace ideales para su uso en aplicaciones de almacenamiento de energía, como baterías.

Las baterías de iones de litio utilizan electrodos de grafito que contienen capas de átomos de carbono. Cuando una batería se carga, los iones de litio se almacenan entre estas capas en un proceso que los científicos denominan intercalación.

Los MXenos se prefieren al grafito como material de electrodo, ya que proporcionan espacio de almacenamiento adicional para que se intercalen los iones de litio. El problema, sin embargo, es que la mayor capacidad de almacenamiento disminuye después de repetidos ciclos de carga y descarga.

Los investigadores de KAUST descubrieron que la causa de la degradación de la capacidad fue un cambio químico que condujo a la formación de óxido de molibdeno dentro de la estructura MXene.

El equipo de investigación dirigido por Husam N. Alshareef utilizó un proceso llamado trazado láser, en el que se utilizaron pulsos de láseres infrarrojos para crear "nanopuntos" en carburo de molibdeno en los electrodos MXene. Estos nanopuntos tenían aproximadamente 10 nanómetros de ancho y estaban conectados a las capas de MXene con materiales de carbono, según el comunicado de prensa.

El material grabado con láser se utilizó para fabricar un ánodo y se probó en una batería de iones de litio durante más de 1.000 ciclos de carga y descarga. Los investigadores descubrieron que el ánodo con nanopuntos tenía una capacidad de almacenamiento eléctrico cuatro veces mayor que el que no lo tenía y también era capaz de alcanzar la capacidad máxima teórica del grafito. Además, no hubo ninguna caída en el rendimiento incluso después de 1.000 ciclos.

Los investigadores atribuyen el rendimiento mejorado del material grabado con láser a múltiples factores. La creación de nanopuntos proporciona espacio de almacenamiento adicional para que los iones de litio se intercalen, acelerando el proceso de carga. También reduce el contenido de oxígeno en el material, previniendo aún más la formación de óxido de molibdeno y degradando el rendimiento del electrodo MXene.

Las conexiones entre los nanopuntos y las capas mejoran aún más la conductividad del material y estabilizan su estructura. Los investigadores confían en que el enfoque podría aplicarse como estrategia para mejorar el rendimiento de los MXenes que también utilizan otros metales.

Si bien los precios del litio están por las nubes en estos días debido a su alta demanda, los MXenes también pueden funcionar con iones metálicos más abundantes, como el sodio y el potasio. Esto también podría conducir al desarrollo de una nueva generación de baterías recargables.

"Esto proporciona una manera rápida y rentable de ajustar el rendimiento de la batería", añadió Zahra Bayhan, quien trabajó en este enfoque como Ph.D. estudiante en KAUST.

Los resultados de la investigación se han publicado en la revista Small.

Abstracto

Los MXenes, una familia de carburos/nitruros de metales de transición bidimensionales (2D) de rápido crecimiento, son prometedores para aplicaciones de electrónica y almacenamiento de energía. Mo2CTx MXene, en particular, ha demostrado una mayor capacidad que otros MXenes como ánodo para baterías de iones de litio. Sin embargo, esta capacidad mejorada va acompañada de una cinética lenta y una estabilidad cíclica deficiente. Aquí, se revela que el rendimiento cíclico inestable de Mo2CTx se atribuye a la oxidación parcial en MoOx con degradación estructural. Se ha desarrollado un ánodo híbrido Mo2CTx/Mo2C (LS-Mo2CTx) inducido por láser, cuyos nanopuntos de Mo2C aumentan la cinética redox y el contenido de oxígeno reducido por láser previene la degradación estructural causada por la oxidación. Mientras tanto, las fuertes conexiones entre los nanopuntos de Mo2C inducidos por láser y las nanoláminas de Mo2CTx mejoran la conductividad y estabilizan la estructura durante el ciclo de carga-descarga. El ánodo LS-Mo2CTx preparado exhibe una capacidad mejorada de 340 mAh g-1 frente a 83 mAh g-1 (para prístino) y una estabilidad de ciclo mejorada (retención de capacidad de 106,2 % frente a 80,6 % para prístino) durante 1000 ciclos. El enfoque de síntesis inducida por láser subraya el potencial de los materiales híbridos basados ​​en MXene para aplicaciones de almacenamiento de energía de alto rendimiento.