Gần đây, Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah (KAUST) đã trình bày kết quả của một nghiên cứu có thể giúp cải thiện vật liệu cực dương cho pin thế hệ tiếp theo.
Theo báo cáo, KAUST đã chứng minh việc sử dụngxung laser để sửa đổi cấu trúc của vật liệu điện cực thay thế đầy hứa hẹnđược gọi là "MXene" để cải thiện khả năng năng lượng và các thuộc tính quan trọng khác của nó.
Trong nghiên cứu, các nhà khoa học giải thích rằng than chì chứa các lớp nguyên tử carbon phẳng và trong quá trình sạc pin, các nguyên tử lithium được lưu trữ giữa các lớp này trong một quá trình được gọi là "nhúng". Cấu trúc của vật liệu "MXene" cũng chứa các lớp có thể giữ lithium, nhưng các lớp này được làm từ các kim loại chuyển tiếp như titan hoặc molypden kết hợp với các nguyên tử carbon hoặc nitơ, làm cho vật liệu có tính dẫn điện cao.
Các lớp này cũng có các nguyên tử bổ sung, chẳng hạn như oxy hoặc flo, trên bề mặt của chúng. Cấu trúc vật liệu "MXene" dựa trên molybdenum cacbua có khả năng lưu trữ lithium đặc biệt tốt, nhưng hiệu suất của nó cũng suy giảm nhanh chóng sau nhiều chu kỳ sạc/xả.
Nhóm KAUST do Husam N. Alshareef và Zahra Bayhan đứng đầu đã phát hiện ra rằng sự xuống cấp này là do những thay đổi hóa học trong cấu trúc MXene tạo thành oxit molypden.
Để giải quyết vấn đề này, họ đã sử dụng các xung laze hồng ngoại để tạo ra các "chấm nano" nhỏ cacbua molypden trong cấu trúc của vật liệu "MXene", một quá trình được gọi là "viết nguệch ngoạc bằng laze". Những chấm nano này, rộng khoảng 10 nanomet, được gắn vào các lớp của cấu trúc MXene bằng carbon.
Điều này mang lại một số lợi ích: Thứ nhất, các chấm nano cung cấp thêm dung lượng lưu trữ cho lithium và tăng tốc quá trình sạc và xả. Xử lý bằng laser cũng làm giảm hàm lượng oxy trong vật liệu, giúp ngăn chặn sự hình thành các oxit molypden khó giải quyết. Cuối cùng, các kết nối mạnh mẽ giữa các chấm nano và các lớp cải thiện tính dẫn điện của cấu trúc vật liệu "MXene" và ổn định nó trong quá trình sạc và xả.
Trong một thông cáo báo chí, Bayhan cho biết, "Điều này cung cấp một cách nhanh chóng và tiết kiệm chi phí để điều chỉnh hiệu suất của pin."
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một cực dương bằng vật liệu khắc laser và thử nghiệm nó trong pin lithium-ion với hơn 1,000 chu kỳ sạc-xả. Với các chấm nano, khả năng lưu trữ điện của vật liệu cao gấp bốn lần so với MXene ban đầu, gần như đạt đến khả năng lưu trữ tối đa theo lý thuyết của than chì. Vật liệu khắc laser cũng không bị giảm công suất trong các thử nghiệm đạp xe.
Dựa trên những kết quả này, họ tin rằng việc khắc laser có thể được sử dụng như một chiến lược chung để cải thiện hiệu suất của các cấu trúc vật liệu "MXenes" khác. Ví dụ, điều này có thể dẫn đến sự phát triển của một thế hệ pin sạc mới sử dụng kim loại rẻ hơn và dồi dào hơn so với lithium. Ngoài ra, không giống như than chì, cấu trúc vật liệu MXenes cũng có thể được nhúng các ion natri và kali.
