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Jun 05, 2024

Tratando eletrodos MXene com laser para melhorar Li

klyaksun/iStock Ao assinar, você concorda com nossos Termos de Uso e Políticas. Você pode cancelar a assinatura a qualquer momento. Pesquisadores da Universidade King Abdullah de Ciência e Tecnologia (KAUST) na Arábia Saudita

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Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah (KAUST), na Arábia Saudita, descobriram que a gravação a laser ou a criação de nanopontos no eletrodo da bateria podem melhorar sua capacidade de armazenamento e estabilidade. O método pode ser aplicado a materiais alternativos para eletrodos chamados MXene.

As baterias de iões de lítio têm múltiplas deficiências nas suas aplicações generalizadas, e investigadores em todo o mundo procuram melhorar a tecnologia ou encontrar alternativas melhores.

MXenes são uma classe de materiais bidimensionais feitos de átomos de carbono e nitrogênio ligados a metais como titânio ou molibdênio. Embora cerâmicos, esses materiais possuem boa condutividade e alta capacitância, tornando-os ideais para uso em aplicações de armazenamento de energia, como baterias.

As baterias de íon-lítio usam eletrodos de grafite que contêm camadas de átomos de carbono. Quando uma bateria é carregada, os íons de lítio são armazenados entre essas camadas em um processo que os cientistas chamam de intercalação.

MXenes são preferidos ao grafite como material de eletrodo, pois fornecem espaço de armazenamento adicional para a intercalação de íons de lítio. O problema, contudo, é que a maior capacidade de armazenamento diminui após repetidos ciclos de carga e descarga.

Pesquisadores da KAUST descobriram que a causa da degradação da capacidade foi uma alteração química que levou à formação de óxido de molibdênio na estrutura do MXene.

A equipe de pesquisa liderada por Husam N. Alshareef usou um processo chamado gravação a laser, onde pulsos de laser infravermelho foram usados ​​para criar “nanopontos” em carboneto de molibdênio nos eletrodos MXene. Esses nanopontos tinham aproximadamente 10 nanômetros de largura e estavam conectados às camadas MXene com materiais de carbono, disse o comunicado de imprensa.

O material gravado a laser foi usado para fazer um ânodo e testado em uma bateria de íons de lítio durante 1.000 ciclos de carga-descarga. Os pesquisadores descobriram que o ânodo com nanopontos tinha capacidade de armazenamento elétrico quatro vezes maior do que aquele sem e também era capaz de atingir a capacidade máxima teórica do grafite. Além disso, não houve queda no desempenho mesmo após 1.000 ciclos.

Os pesquisadores atribuem o melhor desempenho do material gravado a laser a vários fatores. A criação de nanopontos fornece espaço de armazenamento adicional para a intercalação de íons de lítio, acelerando o processo de carregamento. Também reduz o teor de oxigênio no material, evitando ainda mais a formação de óxido de molibdênio e degradando o desempenho do eletrodo MXene.

As conexões entre os nanopontos e as camadas melhoram ainda mais a condutividade do material e estabilizam sua estrutura. Os pesquisadores estão confiantes de que a abordagem pode ser aplicada como uma estratégia para melhorar o desempenho dos MXenes que também utilizam outros metais.

Embora os preços do lítio estejam em alta atualmente devido à sua alta demanda, os MXenes também podem trabalhar com íons metálicos mais abundantes, como sódio e potássio. Isto também poderia levar ao desenvolvimento de uma nova geração de baterias recarregáveis.

“Isso fornece uma maneira rápida e econômica de ajustar o desempenho da bateria”, acrescentou Zahra Bayhan, que trabalhou na abordagem como Ph.D. estudante da KAUST.

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Small.

Abstrato

MXenes, uma família de rápido crescimento de carbonetos/nitretos de metais de transição bidimensionais (2D), são promissores para aplicações eletrônicas e de armazenamento de energia. O Mo2CTx MXene, em particular, demonstrou uma capacidade maior do que outros MXenes como ânodo para baterias de íon-lítio. No entanto, essa capacidade melhorada é acompanhada por uma cinética lenta e uma fraca estabilidade do ciclismo. Aqui, é revelado que o desempenho de ciclagem instável do Mo2CTx é atribuído à oxidação parcial em MoOx com degradação estrutural. Foi desenvolvido um ânodo híbrido Mo2CTx / Mo2C (LS-Mo2CTx) induzido por laser, do qual os nanopontos Mo2C aumentam a cinética redox, e o conteúdo de oxigênio reduzido pelo laser evita a degradação estrutural causada pela oxidação. Enquanto isso, as fortes conexões entre os nanopontos Mo2C induzidos por laser e as nanofolhas Mo2CTx melhoram a condutividade e estabilizam a estrutura durante o ciclo de carga-descarga. O ânodo LS-Mo2CTx preparado exibe uma capacidade aprimorada de 340 mAh g-1 vs 83 mAh g-1 (para puro) e uma estabilidade de ciclagem aprimorada (retenção de capacidade de 106,2% vs 80,6% para puro) ao longo de 1000 ciclos. A abordagem de síntese induzida por laser destaca o potencial dos materiais híbridos baseados em MXene para aplicações de armazenamento de energia de alto desempenho.