充电电池技术即将飞跃？新工艺可大幅提升MXene电极的性能

据报道，沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员最近使用激光脉冲来增强MXene的电极性能，从而在可充电电池技术上取得了突破，可能超越传统的锂离子电池。

据悉，MXene是材料科学中的一类二维无机化合物。这些材料由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。它最初于2011年被发现，由于MXene材料表面有羟基或末端氧，它们有着过渡金属碳化物的金属导电性。

正是由于MXene独特的性能，使其迅速成为研究热点，也是继石墨烯之后最受关注的二维纳米材料之一，并已广泛应用于储能、催化、吸附等众多领域。

随着全球社会转向太阳能和风能等可再生能源，对高性能可充电电池的需求正在加剧。这些电池对于储存来自间歇性可再生能源的能量至关重要。虽然今天的锂离子电池是有效的，但仍有改进提升的空间。开发新的电极材料是提高其性能的一种方法。

因此，KAUST就试图使用激光脉冲来修改MXene的结构，提高其能量容量和其他关键性能。研究人员希望这一策略可以帮助设计出下一代电池中改进的阳极材料。最新研究成果已于近期被发表在了《Small》杂志上。


研究人员解释称，石墨含有扁平的碳原子层，在电池充电过程中，锂原子被储存在这些层之间，这一过程被称为嵌入。MXenes也包含可以容纳锂的层，但这些层是由过渡金属如钛或钼与碳或氮原子结合而成的，这使得材料具有高导电性。

另外，这些层的表面还具有额外的原子，如氧或氟。基于碳化钼的MXenes具有特别好的锂存储能力，但在反复充放电循环后，其性能很快下降。研究团队发现，这种降解是由MXene结构中形成氧化钼的化学变化引起的。

为了解决这个问题，研究人员使用红外激光脉冲在MXene中制造出碳化钼的小“纳米点”，这一过程被称为激光划线。这些大约10纳米宽的纳米点通过碳材料连接到MXene的层上。


这提供了几个好处。首先，纳米点为锂提供了额外的存储容量，并加快了充放电过程。激光处理还降低了材料的氧含量，有助于防止氧化钼的形成。最后，纳米点和层之间的强连接提高了MXene的导电性，并在充放电过程中稳定了其结构。

研究人员说，“这为调整电池性能提供了一种经济高效且快速的方法。”

研究人员用这种新型阳极制成的锂离子电池进行了超过1000次充放电循环的测试。值得注意的是，与未改变的MXene相比，纳米点的材料表现出四倍的电存储容量激增，几乎与石墨的理论峰值容量相匹配。此外，这种激光改性材料在整个测试阶段保持了其全部容量。

该团队认为，激光脉冲可以作为一种通用策略来改善其他MXenes的性能。例如，这有助于开发新一代可充电电池，这种电池使用比锂更便宜、更丰富的金属。

“与石墨不同，MXenes也可以嵌入钠离子和钾离子，”他们说。