KAUST는 MXene 전극의 성능을 높이기 위해 레이저 펄스를 사용합니다.

KAUST 연구원들은 레이저 펄스를 사용하여 MXene으로 알려진 유망한 대체 전극 재료의 구조를 수정하여 에너지 용량과 기타 주요 특성을 향상시키는 방법을 시연했습니다. 연구원들은 이 전략이 차세대 배터리의 향상된 양극 재료를 설계하는 데 도움이 될 수 있기를 바라고 있습니다.

그들의 작업에 관한 논문은 Small 저널에 게재되었습니다.

흑연은 평평한 탄소 원자 층을 포함하고 있으며, 배터리 충전 중에 삽입(intercalation)이라는 과정을 통해 리튬 원자가 이러한 층 사이에 저장됩니다. MXene에는 리튬을 수용할 수 있는 층도 포함되어 있지만 이러한 층은 탄소 또는 질소 원자에 결합된 티타늄이나 몰리브덴과 같은 전이 금속으로 만들어져 재료의 전도성이 높습니다. 층의 표면에는 산소나 불소와 같은 추가 원자도 포함되어 있습니다. 몰리브덴 카바이드를 기반으로 하는 MXene은 특히 리튬 저장 용량이 좋지만 반복된 충전 및 방전 주기 후에 성능이 곧 저하됩니다.

Husam N. Alshareef와 Ph.D.가 이끄는 팀. 학생 Zahra Bayhan은 이러한 분해가 MXene의 구조 내에서 산화 몰리브덴을 형성하는 화학적 변화에 의해 발생한다는 것을 발견했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 적외선 레이저 펄스를 사용하여 레이저 스크라이빙이라고 불리는 프로세스인 MXene 내에 몰리브덴 탄화물의 작은 "나노도트"를 생성했습니다. 폭이 약 10나노미터인 이 나노점은 탄소 재료를 통해 MXene의 층에 연결되었습니다.

이는 여러 가지 이점을 제공합니다. 첫째, 나노닷은 리튬에 대한 추가적인 저장 용량을 제공하고 충전 및 방전 과정의 속도를 높입니다. 레이저 처리는 또한 재료의 산소 함량을 줄여 문제가 있는 몰리브덴 산화물의 형성을 방지하는 데 도움이 됩니다. 마지막으로, 나노점과 층 사이의 강한 연결은 MXene의 전도성을 향상시키고 충전 및 방전 중에 구조를 안정화시킵니다.

연구진은 레이저로 새겨진 재료로 양극을 만들고 이를 리튬 이온 배터리에서 1000회 이상의 충전-방전 주기로 테스트했습니다. 나노점이 배치된 이 물질은 원래 MXene보다 전기 저장 용량이 4배 더 높았으며 흑연의 이론적 최대 용량에 거의 도달했습니다. 또한 레이저 스크라이빙된 재료는 사이클링 테스트 중에 용량 손실이 나타나지 않았습니다.

여기서, Mo2CTx의 불안정한 사이클링 성능은 구조적 열화와 함께 MoOx로 부분 산화되기 때문인 것으로 밝혀졌다. 레이저 유도 Mo2CTx/Mo2C(LS-Mo2CTx) 하이브리드 양극이 개발되었으며, 이 중 Mo2C 나노도트는 산화환원 역학을 향상시키고 레이저로 감소된 산소 함량은 산화로 인한 구조적 저하를 방지합니다. 한편, 레이저 유도된 Mo2C 나노점과 Mo2CTx 나노시트 사이의 강력한 연결은 전도성을 향상시키고 충방전 주기 동안 구조를 안정화시킵니다.

준비된 LS-Mo2CTx 양극은 1000사이클에 걸쳐 340mAh g−1 대 83mAh g−1(원래의 경우)의 향상된 용량과 향상된 사이클링 안정성(106.2% 대 초기의 용량 유지 80.6%)을 나타냅니다. 레이저 유도 합성 접근법은 고성능 에너지 저장 응용 분야를 위한 MXene 기반 하이브리드 재료의 잠재력을 강조합니다.

연구진은 레이저 스크라이빙이 다른 MXene의 특성을 개선하기 위한 일반적인 전략으로 적용될 수 있다고 생각합니다. 이는 예를 들어 리튬보다 저렴하고 풍부한 금속을 사용하는 차세대 충전식 배터리를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 흑연과 달리 MXene은 나트륨 및 칼륨 이온을 삽입할 수도 있다고 Alshareef는 말합니다.

자원

Bayhan, Z., El-Demellawi, JK, Yin, J., Khan, Y., Lei, Y., Alhajji, E., Wang, Q., Hedhili, MN & Alshareef, HN (2023) 레이저 유도 고성능 리튬 이온 배터리용 Mo2CTx MXene 하이브리드 양극. 작은 도이: 10.1002/smll.202208253

2023년 7월 28일에 게시됨: 배터리, 시장 배경, 재료 | 영구링크 | 댓글 (0)