KAUST はレーザーパルスを使用して MXene 電極の性能を向上させます

KAUSTの研究者らは、レーザーパルスを使用してMXeneとして知られる有望な代替電極材料の構造を変更し、そのエネルギー容量やその他の重要な特性を向上させることを実証した。 研究者らは、この戦略が次世代電池の改良された負極材料の設計に役立つことを期待している。

彼らの研究に関する論文は、雑誌「Small」に掲載されています。

グラファイトには炭素原子の平らな層が含まれており、バッテリーの充電中、インターカレーションと呼ばれるプロセスでリチウム原子がこれらの層の間に蓄えられます。 MXene にはリチウムを収容できる層も含まれていますが、これらの層は炭素または窒素原子に結合したチタンやモリブデンなどの遷移金属でできており、材料の導電性が高くなります。 層の表面には、酸素やフッ素などの追加の原子も含まれています。 炭化モリブデンをベースとしたMXenesは、特に優れたリチウム貯蔵容量を備えていますが、充放電サイクルを繰り返すとすぐに性能が低下します。

チームはフサム・N・アルシャリーフ氏と博士が率いる。 学生のザフラ・バイハンは、この劣化がMXeneの構造内で酸化モリブデンを形成する化学変化によって引き起こされることを発見した。

この問題に取り組むために、研究者らは赤外線レーザーパルスを使用してMXene内に炭化モリブデンの小さな「ナノドット」を作成しました。これはレーザースクライビングと呼ばれるプロセスです。 幅約10ナノメートルのこれらのナノドットは、炭素材料によってMXeneの層に接続されていた。

これにはいくつかの利点があります。 まず、ナノドットはリチウムの追加の貯蔵容量を提供し、充電と放電のプロセスをスピードアップします。 また、レーザー処理により材料の酸素含有量が減少し、問題となる酸化モリブデンの生成を防ぐことができます。 最後に、ナノドットと層の間の強力な接続により、MXene の導電性が向上し、充放電中の構造が安定します。

研究者らは、レーザーでスクライブした材料からアノードを作成し、それをリチウムイオン電池で1000回の充放電サイクルにわたってテストした。 ナノドットを配置すると、この材料は元の MXene よりも 4 倍高い蓄電容量を持ち、グラファイトの理論上の最大容量にほぼ達しました。 レーザーでスクライブした材料は、サイクルテスト中に容量の低下も見られませんでした。

ここで、Mo2CTx の不安定なサイクル性能は、構造劣化を伴う MoOx への部分酸化に起因することが明らかになりました。 レーザー誘起 Mo2CTx/Mo2C (LS-Mo2CTx) ハイブリッド アノードが開発されました。このハイブリッド アノードの Mo2C ナノドットは酸化還元反応速度を高め、レーザーで減少した酸素含有量は酸化による構造劣化を防ぎます。 一方、レーザー誘起 Mo2C ナノドットと Mo2CTx ナノシート間の強力な結合により、導電性が向上し、充放電サイクル中の構造が安定します。

調製したままの LS-Mo2CTx アノードは、1000 サイクルにわたって 340 mAh g-1 対 83 mAh g-1 (未使用の場合) の向上した容量と、改善されたサイクル安定性 (未使用の場合 80.6% に対して 106.2% の容量維持) を示します。 レーザー誘起合成アプローチは、高性能エネルギー貯蔵用途における MXene ベースのハイブリッド材料の可能性を強調しています。

研究者らは、レーザースクライビングは他の MXene の特性を改善するための一般的な戦略として適用できると考えています。 これは、例えばリチウムよりも安価で豊富な金属を使用する新世代の充電式電池の開発に役立つ可能性がある。 グラファイトとは異なり、MXene はナトリウムイオンやカリウムイオンを挿入することもできる、と Alshareef 氏は述べています。

リソース

Bayhan, Z.、El-Demellawi, JK、Yin, J.、Khan, Y.、Lei, Y.、Alhajji, E.、Wang, Q.、Hedhili, MN & Alshareef, HN (2023) レーザー誘発高性能リチウムイオン電池用の Mo2CTx MXene ハイブリッド アノード。 小さな土井: 10.1002/smll.202208253

投稿日: 2023 年 7 月 28 日 in バッテリー, 市場の背景, 材料 | パーマリンク | コメント (0)