В поисках высокоэффективных аккумуляторных батарей, способных удовлетворить растущий спрос на накопители возобновляемой энергии, исследователи из Научно-технического университета имени короля Абдаллы (KAUST) совершили значительный прорыв.
Используя лазерные импульсы для модификации структуры MXene, перспективного альтернативного электродного материала, исследователи повысили его энергоемкость и улучшили другие ключевые свойства. Эта разработка может проложить путь к созданию улучшенных анодных материалов для аккумуляторов нового поколения, превосходящих возможности традиционных литий-ионных батарей.
Потребность в усовершенствованных перезаряжаемых батареях
По мере того как мир переходит на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая, потребность в высокопроизводительных аккумуляторных батареях становится все более актуальной. Эти батареи играют важную роль в хранении энергии, получаемой от периодически возобновляемых источников. Несмотря на то, что литий-ионные батареи доказали свою эффективность, их еще можно совершенствовать. Одним из подходов к решению этой задачи является улучшение характеристик электродных материалов.
MXene: новый электродный материал
MXene - материал, разрабатываемый Захрой Байхан в KAUST, - имеет большие перспективы в качестве электродного материала, который благодаря своей исключительной проводимости может заменить графит в некоторых батареях. Он состоит из слоев переходных металлов, таких как титан или молибден, соединенных с атомами углерода или азота. Эти слои могут вмещать атомы лития, подобно графиту, но с дополнительным преимуществом - высокой проводимостью. МХены на основе карбида молибдена демонстрируют отличную емкость для хранения лития, хотя их характеристики ухудшаются при многократных циклах заряда и разряда.
Преодоление деградации характеристик
Для решения проблемы ухудшения характеристик MXenes группа специалистов под руководством Хусама Н. Альшарифа и аспиранта Захры Байхан обнаружила, что в материале происходит химическое изменение, в результате которого образуется оксид молибдена. Это изменение со временем приводит к снижению производительности.
Для решения этой проблемы исследователи использовали импульсы инфракрасного лазера для создания в структуре MXene небольших наноточек карбида молибдена. Этот процесс, известный как лазерное скрайбирование, включает в себя соединение наноточек шириной около 10 нанометров со слоями MXene с помощью углеродных материалов.
Преимущества лазерной импульсной обработки
Введение наноточек с помощью лазерного скрайбирования дает несколько преимуществ. Во-первых, это обеспечивает дополнительную емкость для хранения лития и ускоряет процесс зарядки и разрядки. Кроме того, лазерная обработка снижает содержание кислорода в материале, предотвращая образование проблемного оксида молибдена. Наконец, прочные связи между наноточками и слоями повышают электропроводность MXene и стабилизируют его структуру в процессе зарядки и разрядки. По мнению Байхана, данная технология представляет собой экономичный и эффективный метод оптимизации работы аккумуляторов.
Будущие применения и мнения экспертов
Захра Байхан и профессор Хусам Альшариф считают, что лазерное скрайбирование может быть использовано в качестве общей стратегии для улучшения свойств других МХенов. Это открытие способно произвести революцию в технологии перезаряжаемых аккумуляторов, предложив улучшенные возможности хранения энергии для возобновляемых источников энергии.
Научно-исторический контекст
Разработка современных аккумуляторных батарей имеет решающее значение для глобального перехода на возобновляемые источники энергии. Как отмечается в исследовании, опубликованном в журнале Nature Energy, в ближайшие годы ожидается экспоненциальный рост спроса на литий-ионные аккумуляторы. Однако исследователи постоянно изучают альтернативные электродные материалы, чтобы преодолеть ограничения нынешних аккумуляторных технологий.
Мнения экспертов по данной теме проливают свет на значение этого прорыва. Доктор Линда Назар, профессор Университета Ватерлоо и ведущий специалист в области исследований аккумуляторов, подчеркивает важность поиска новых электродных материалов для повышения эффективности аккумуляторов. Она утверждает: "Разработка новых электродных материалов имеет решающее значение для достижения более высокой плотности энергии и длительного срока службы перезаряжаемых батарей".
