פעימות לייזר עשויות לסייע בפיתוח סוללות בעלות קיבולת גבוהה מהדור הבא

לאחרונה, אוניברסיטת המלך עבדאללה למדע וטכנולוגיה (KAUST) הציגה תוצאת מחקר שעשויה לסייע בשיפור חומר האנודה לסוללות מהדור הבא.
דווח כי KAUST הדגימה שימוש בפולסי לייזר כדי לשנות את המבנה של חומר אלקטרודה חלופי פוטנציאלי בשם "MXene" כדי לשפר את קיבולת האנרגיה שלו ותכונות מפתח אחרות.
במחקר הסבירו המדענים כי גרפיט מכיל שכבות שטוחות של אטומי פחמן, ובמהלך טעינת הסוללה, אטומי ליתיום מאוחסנים בין השכבות הללו בתהליך המכונה "הטבעה". מבנה החומר "MXene" מכיל גם שכבות שיכולות להכיל ליתיום, אך שכבות אלו עשויות ממתכות מעבר כמו טיטניום או מוליבדן בשילוב עם אטומי פחמן או חנקן, מה שהופך את החומר למוליכות גבוהה.
לשכבות אלו יש גם אטומים נוספים, כמו חמצן או פלואור, על פני השטח. למבנה החומר "MXene" המבוסס על מוליבדן קרביד יש יכולת אחסון ליתיום טובה במיוחד, אך הביצועים שלו גם מתדרדרים במהירות לאחר מחזורי טעינה/פריקה חוזרים ונשנים.
צוות KAUST, בראשות חוסאם נ. אלשאריף ו-זהרה ביהאן, מצא כי השפלה זו נגרמת על ידי שינויים כימיים במבנה ה-MXene היוצרים תחמוצת מוליבדן.
כדי לפתור בעיה זו, הם השתמשו בפולסי לייזר אינפרא אדום כדי ליצור "ננונקודות" קטנות של מוליבדן קרביד במבנה של החומר "MXene", תהליך המכונה "שריטת לייזר. התהליך נקרא "שריטת לייזר. ננו-נקודות אלה, ברוחב של כ-10 ננומטר, מחוברות לשכבות של מבנה ה-MXene באמצעות פחמן.
זה מציע מספר יתרונות: ראשית, הננו-נקודות מספקות נפח אחסון נוסף לליתיום ומאיצות את תהליך הטעינה והפריקה. הטיפול בלייזר גם מפחית את תכולת החמצן של החומר, ומסייע במניעת היווצרות של תחמוצות מוליבדן בעייתיות. לבסוף, החיבורים החזקים בין הננו-נקודות והשכבות משפרים את המוליכות החשמלית של מבנה החומר "MXene" ומייצבים אותו במהלך תהליך הטעינה והפריקה.
בהצהרה לעיתונות, אמר Bayhan, "זה מספק דרך חסכונית ומהירה לכוונון ביצועי הסוללות".
החוקרים יצרו אנודה עם החומר החתום בלייזר ובדקו אותה בסוללת ליתיום-יון עם יותר מ-1,000 מחזורי טעינה-פריקה. עם הננו-נקודות, קיבולת האחסון החשמלית של החומר הייתה גבוהה פי ארבעה מה-MXene המקורי, וכמעט הגיעה לקיבולת המקסימלית התיאורטית של גרפיט. החומר שנכתב בלייזר גם לא הראה אובדן קיבולת במבחני הרכיבה.
לאור תוצאות אלו, הם מאמינים כי כיתוב לייזר יכול לשמש כאסטרטגיה כללית לשיפור הביצועים של מבני חומר "MXenes" אחרים. זה יכול, למשל, להוביל לפיתוח של דור חדש של סוללות נטענות באמצעות מתכת זולה ושופעת יותר מאשר ליתיום. בנוסף, בניגוד לגרפיט, ניתן להטמיע מבני חומר MXenes גם עם יוני נתרן ואשלגן.