Khi thế giới chuyển đổi sang các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió, nhu cầu về pin sạc hiệu suất cao để lưu trữ năng lượng được tạo ra bởi nguồn năng lượng không liên tục này ngày càng tăng. Pin lithium-ion ngày nay rất tốt nhưng hiệu suất của chúng vẫn cần được cải thiện; phát triển vật liệu điện cực mới là một cách để cải thiện hiệu suất của chúng.
Ảnh SEM của điện cực Mo 2 CT x và LS-Mo 2 CT x . (a) mặt cắt ngang và (b,c) hình thái của Mo 2 CT x . (d) mặt cắt ngang và (e,f) hình thái của LS-Mo 2 CT x . Tín dụng: Nhỏ (2023). DOI: 10.1002/smll.202208253
Các nhà nghiên cứu của KAUST đã chứng minh việc sử dụng các xung laser để sửa đổi cấu trúc của vật liệu điện cực thay thế đầy hứa hẹn được gọi là MXene, tăng công suất năng lượng và các đặc tính quan trọng khác của nó. Phát hiện của họ được công bố trên tạp chí Small . Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng chiến lược này có thể giúp chế tạo vật liệu cực dương cải tiến trong pin thế hệ tiếp theo.
Than chì chứa các lớp nguyên tử carbon phẳng và trong quá trình sạc pin, các nguyên tử lithium được lưu trữ giữa các lớp này trong một quá trình gọi là xen kẽ. MXene cũng chứa các lớp có thể chứa lithium, nhưng các lớp này được làm từ các kim loại chuyển tiếp như titan hoặc molypden liên kết với các nguyên tử carbon hoặc nitơ , khiến vật liệu có tính dẫn điện cao.
Bề mặt của các lớp cũng có thêm các nguyên tử như oxy hoặc flo. MXene dựa trên cacbua molypden có khả năng lưu trữ lithium đặc biệt tốt, nhưng hiệu suất của chúng sẽ sớm suy giảm sau các chu kỳ sạc và xả lặp đi lặp lại.
Nhóm nghiên cứu do Husam N. Alshareef và Ph.D. sinh viên Zahra Bayhan, đã phát hiện ra rằng sự xuống cấp này là do sự thay đổi hóa học tạo thành oxit molypden trong cấu trúc của MXene.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các xung laser hồng ngoại để tạo ra các “chấm nano” nhỏ cacbua molypden bên trong MXene, một quá trình được gọi là ghi chép bằng laser. Những chấm nano này có chiều rộng khoảng 10 nanomet, được kết nối với các lớp MXene bằng vật liệu carbon.
Điều này mang lại một số lợi ích. Thứ nhất, các chấm nano cung cấp thêm dung lượng lưu trữ cho lithium và tăng tốc quá trình sạc và xả. Việc xử lý bằng laser cũng làm giảm hàm lượng oxy của vật liệu, giúp ngăn ngừa sự hình thành oxit molypden có vấn đề. Cuối cùng, các kết nối mạnh mẽ giữa các chấm nano và các lớp giúp cải thiện độ dẫn điện của MXene và ổn định cấu trúc của nó trong quá trình sạc và xả. Bayhan cho biết: “Điều này cung cấp một cách hiệu quả và nhanh chóng để điều chỉnh hiệu suất pin”.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra cực dương từ vật liệu khắc laser và thử nghiệm nó trong pin lithium-ion trong hơn 1000 chu kỳ sạc-xả. Khi có các chấm nano, vật liệu này có khả năng lưu trữ điện cao gấp 4 lần so với MXene ban đầu và gần như đạt đến công suất tối đa theo lý thuyết của than chì. Vật liệu được khắc bằng laser cũng không bị giảm công suất trong quá trình thử nghiệm đạp xe.
Các nhà nghiên cứu cho rằng việc ghi chép bằng laser có thể được áp dụng như một chiến lược chung để cải thiện các đặc tính của các MXene khác. Điều này có thể giúp phát triển một thế hệ pin sạc mới sử dụng kim loại rẻ hơn và dồi dào hơn lithium chẳng hạn. Alshareef giải thích: “Không giống như than chì, MXenes cũng có thể xen kẽ các ion natri và kali”.
