À medida que o mundo transita para fontes de energia renováveis, como a solar e a eólica, há uma necessidade crescente de baterias recarregáveis ​​de alto desempenho para armazenar a energia gerada por esta fonte de energia intermitente. As actuais baterias de iões de lítio são boas, mas o seu desempenho ainda precisa de ser melhorado; o desenvolvimento de novos materiais de eletrodo é uma forma de melhorar seu desempenho.



Os pesquisadores da KAUST demonstraram o uso de pulsos de laser para modificar a estrutura de um material de eletrodo alternativo promissor conhecido como MXene, aumentando sua capacidade energética e outras propriedades importantes. Suas descobertas foram publicadas na revista Small . Os pesquisadores esperam que esta estratégia possa ajudar a projetar um material anódico melhorado em baterias de próxima geração.

A grafite contém camadas planas de átomos de carbono e, durante o carregamento da bateria, os átomos de lítio são armazenados entre essas camadas em um processo chamado intercalação. Os MXenes também contêm camadas que podem acomodar lítio, mas essas camadas são feitas de metais de transição, como titânio ou molibdênio, ligados a átomos de carbono ou nitrogênio, o que torna o material altamente condutor.

As superfícies das camadas também apresentam átomos adicionais, como oxigênio ou flúor. MXenes baseados em carboneto de molibdênio têm capacidade de armazenamento de lítio particularmente boa, mas seu desempenho logo se degrada após repetidos ciclos de carga e descarga.

A equipe, liderada por Husam N. Alshareef e Ph.D. a estudante Zahra Bayhan descobriu que essa degradação é causada por uma mudança química que forma óxido de molibdênio dentro da estrutura do MXene.

Para resolver esse problema, os pesquisadores usaram pulsos de laser infravermelho para criar pequenos “nanopontos” de carboneto de molibdênio dentro do MXene, um processo chamado gravação a laser. Esses nanopontos, com aproximadamente 10 nanômetros de largura, foram conectados às camadas do MXene por materiais de carbono.

Isso oferece vários benefícios. Em primeiro lugar, os nanopontos fornecem capacidade adicional de armazenamento de lítio e aceleram o processo de carga e descarga. O tratamento a laser também reduz o teor de oxigênio do material, ajudando a prevenir a formação do problemático óxido de molibdênio. Finalmente, fortes conexões entre os nanopontos e as camadas melhoram a condutividade do MXene e estabilizam sua estrutura durante a carga e descarga. “Isso fornece uma maneira rápida e econômica de ajustar o desempenho da bateria”, diz Bayhan.

Os pesquisadores fizeram um ânodo com o material gravado a laser e o testaram em uma bateria de íons de lítio durante mais de 1.000 ciclos de carga-descarga. Com os nanopontos instalados, o material tinha uma capacidade de armazenamento elétrico quatro vezes maior que o MXene original e quase atingiu a capacidade máxima teórica do grafite. O material gravado a laser também não apresentou perda de capacidade durante o teste de ciclagem.

Os pesquisadores acreditam que a gravação a laser poderia ser aplicada como uma estratégia geral para melhorar as propriedades de outros MXenes. Isto poderia ajudar a desenvolver uma nova geração de baterias recarregáveis ​​que utilizam metais mais baratos e abundantes do que o lítio, por exemplo. “Ao contrário do grafite, os MXenes também podem intercalar íons de sódio e potássio”, explica Alshareef.

Mais informações: Zahra Bayhan et al, Um Mo induzido por laser₂ CT_x Ânodo híbrido MXene para baterias de íons de lítio de alto desempenho, pequenas (2023). DOI:10.1002/smll.202208253
Informações do diário: Pequeno

Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah