レーザーパルスは次世代の大容量バッテリーの開発に役立つ可能性がある

最近、キング・アブドラ科学技術大学（KAUST）は、次世代電池の負極材料の改良に役立つ可能性のある研究結果を発表した。
KAUSTは、レーザーパルスを使用して「MXene」と呼ばれる潜在的な代替電極材料の構造を変更し、そのエネルギー容量やその他の重要な特性を改善することを実証したと報告されています。
研究の中で科学者らは、グラファイトには炭素原子の平らな層が含まれており、バッテリーの充電中に「埋め込み」として知られるプロセスでリチウム原子がこれらの層の間に蓄えられると説明した。 「MXene」材料の構造にはリチウムを保持できる層も含まれていますが、これらの層はチタンやモリブデンなどの遷移金属と炭素または窒素原子が結合したものでできており、材料の導電性が高くなります。
これらの層の表面には、酸素やフッ素などの追加の原子も含まれています。 炭化モリブデンベースの「MXene」材料構造は、特に優れたリチウム貯蔵容量を備えていますが、充放電サイクルを繰り返すとその性能も急速に劣化します。
Husam N. Alshareef 氏と Zahra Bayhan 氏が率いる KAUST チームは、この劣化が酸化モリブデンを形成する MXene 構造の化学変化によって引き起こされることを発見しました。
この問題を解決するために、彼らは赤外線レーザーパルスを使用して、「MXene」材料の構造内に炭化モリブデンの小さな「ナノドット」を作成しました。これは「レーザースクライビング」として知られるプロセスです。 これらのナノドットは幅約 10 ナノメートルで、カーボンによって MXene 構造の層に取り付けられています。
これにはいくつかの利点があります。まず、ナノドットはリチウムの追加の貯蔵容量を提供し、充電と放電のプロセスを高速化します。 また、レーザー処理により材料の酸素含有量が減少し、問題となる酸化モリブデンの生成を防ぐことができます。 最後に、ナノドットと層の間の強力な接続により、「MXene」材料構造の導電性が向上し、充電および放電プロセス中に安定します。
Bayhan氏はプレス声明で、「これにより、電池の性能を調整するための費用対効果が高く、迅速な方法が提供される」と述べた。
研究者らはレーザーで刻印された材料で陽極を作成し、それをリチウムイオン電池で1,000回以上の充放電サイクルでテストした。 ナノドットを使用すると、この材料の蓄電容量は元の MXene の 4 倍になり、グラファイトの理論上の最大容量にほぼ達しました。 レーザー刻印された材料は、サイクルテストでも容量の損失は見られませんでした。
これらの結果を踏まえて、彼らは、他の「MXenes」材料構造の性能を向上させるための一般的な戦略としてレーザー刻印を使用できると考えています。 これは、例えば、リチウムよりも安価で豊富な金属を使用した新世代の充電式電池の開発につながる可能性があります。 さらに、グラファイトとは異なり、MXenes 材料構造にはナトリウムおよびカリウムイオンを埋め込むこともできます。