Laserbehandlung verbessert die Batterieleistung

Aug 16, 2023

Da sich die Welt hin zu erneuerbaren Energiequellen verlagert, wird der Bedarf an leistungsstarken wiederaufladbaren Batterien zur Speicherung intermittierender Energie immer wichtiger. Obwohl derzeit Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, muss ihre Leistung noch verbessert werden. Eine Möglichkeit, ihre Fähigkeiten zu verbessern, ist die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien.

Forscher von KAUST haben den Einsatz von Laserimpulsen zur Modifizierung der Struktur eines alternativen Elektrodenmaterials namens MXene demonstriert, was zu einer verbesserten Energiekapazität und anderen Schlüsseleigenschaften führt. MXene besteht aus Schichten von Übergangsmetallen wie Titan oder Molybdän, die an Kohlenstoff- oder Stickstoffatome gebunden sind, wodurch das Material hochleitfähig ist und Lithiumspeicherkapazität bietet.

Bei auf Molybdäncarbid basierenden MXenen kommt es jedoch im Laufe der Zeit zu Leistungseinbußen aufgrund der Bildung von Molybdänoxid innerhalb der Materialstruktur. Um dieses Problem anzugehen, nutzten die Forscher Infrarot-Laserimpulse, um Nanopunkte aus Molybdänkarbid im MXene zu erzeugen, ein Prozess, der als Laserritzen bekannt ist. Diese Nanopunkte stellten zusätzliche Speicherkapazität für Lithium bereit und beschleunigten den Lade- und Entladevorgang.

Die Laserbehandlung reduzierte außerdem den Sauerstoffgehalt des Materials und verhinderte so die Bildung des problematischen Molybdänoxids. Darüber hinaus verbesserten die starken Verbindungen zwischen den Nanopunkten und den Schichten die Leitfähigkeit des MXens und stabilisierten seine Struktur beim Laden und Entladen. Das resultierende lasergeschnittene Material zeigte eine vierfache Steigerung der elektrischen Speicherkapazität im Vergleich zum ursprünglichen MXene.

Bei Tests stellten die Forscher eine Anode aus dem laserbeschrifteten Material her und unterwarfen sie 1000 Lade-Entlade-Zyklen in einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei sie keinen Kapazitätsverlust beobachteten. Sie glauben, dass Laserritzen zur Verbesserung der Eigenschaften anderer MXene eingesetzt werden könnte, was zur Entwicklung wiederaufladbarer Batterien führen könnte, die kostengünstige und reichlich vorhandene Metalle wie Natrium und Kalium nutzen.

Die Ergebnisse dieser Studie liefern eine vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Batterieleistung und zur Weiterentwicklung der nächsten Generation wiederaufladbarer Batterien.