據報道，沙特阿拉伯的阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究人員最近使用激光脈沖來增強MXene的電極性能，從而在可充電電池技術上取得了突破，可能超越傳統的鋰離子電池。

據悉，MXene是材料科學中的一類二維無機化合物。這些材料由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成。它最初于2011年被發現，由于MXene材料表面有羥基或末端氧，它們有著過渡金屬碳化物的金屬導電性。

正是由于MXene獨特的性能，使其迅速成為研究熱點，也是繼石墨烯之后最受關注的二維納米材料之一，并已廣泛應用于儲能、催化、吸附等眾多領域。

隨著全球社會轉向太陽能和風能等可再生能源，對高性能可充電電池的需求正在加劇。這些電池對于儲存來自間歇性可再生能源的能量至關重要。雖然今天的鋰離子電池是有效的，但仍有改進提升的空間。開發新的電極材料是提高其性能的一種方法。

因此，KAUST就試圖使用激光脈沖來修改MXene的結構，提高其能量容量和其他關鍵性能。研究人員希望這一策略可以幫助設計出下一代電池中改進的陽極材料。最新研究成果已于近期被發表在了《Small》雜志上。


研究人員解釋稱，石墨含有扁平的碳原子層，在電池充電過程中，鋰原子被儲存在這些層之間，這一過程被稱為嵌入。MXenes也包含可以容納鋰的層，但這些層是由過渡金屬如鈦或鉬與碳或氮原子結合而成的，這使得材料具有高導電性。

另外，這些層的表面還具有額外的原子，如氧或氟。基于碳化鉬的MXenes具有特別好的鋰存儲能力，但在反復充放電循環后，其性能很快下降。研究團隊發現，這種降解是由MXene結構中形成氧化鉬的化學變化引起的。

為了解決這個問題，研究人員使用紅外激光脈沖在MXene中制造出碳化鉬的小“納米點”，這一過程被稱為激光劃線。這些大約10納米寬的納米點通過碳材料連接到MXene的層上。


這提供了幾個好處。首先，納米點為鋰提供了額外的存儲容量，并加快了充放電過程。激光處理還降低了材料的氧含量，有助于防止氧化鉬的形成。最后，納米點和層之間的強連接提高了MXene的導電性，并在充放電過程中穩定了其結構。

研究人員說，“這為調整電池性能提供了一種經濟高效且快速的方法。”

研究人員用這種新型陽極制成的鋰離子電池進行了超過1000次充放電循環的測試。值得注意的是，與未改變的MXene相比，納米點的材料表現出四倍的電存儲容量激增，幾乎與石墨的理論峰值容量相匹配。此外，這種激光改性材料在整個測試階段保持了其全部容量。

該團隊認為，激光脈沖可以作為一種通用策略來改善其他MXenes的性能。例如，這有助于開發新一代可充電電池，這種電池使用比鋰更便宜、更豐富的金屬。

“與石墨不同，MXenes也可以嵌入鈉離子和鉀離子，”他們說。