改进电极材料MXene有望开辟可充电电池技术的未来

通过利用激光脉冲改进电极材料 MXene，阿卜杜拉国王科技大学的研究人员在可再生能源存储领域取得了长足进步。传统的 MXene 会随着时间的推移而性能下降，这主要是由于氧化钼的形成。然而，随着激光加工纳米点的引入，MXene 显示出更强的锂存储能力和更快的充电速度。值得注意的是，在测试中，这种材料的存储容量提高了四倍，可与石墨媲美，而且没有观察到任何容量损失。

研究人员利用激光脉冲增强了 MXene 的电极特性，从而在可充电电池技术方面取得了潜在的突破，有望超越传统的锂离子电池。

随着全球社会转向太阳能和风能等可再生能源，对高性能可充电电池的需求也在不断增加。这些电池对于储存来自间歇性可再生能源的能量至关重要。虽然当今的锂离子电池很有效，但仍有改进的余地。开发新的电极材料是提高其性能的方法之一。

MXene：一种前景广阔的电极材料

阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员展示了如何利用激光脉冲改变一种被称为 MXene 的前景广阔的替代电极材料的结构，从而提高其能量容量和其他关键性能。研究人员希望这一策略能有助于在下一代电池中设计出更好的阳极材料。

石墨含有扁平的碳原子层，在电池充电过程中，锂原子会存储在这些碳原子层之间，这一过程被称为插层。MXenes 也含有可容纳锂的层，但这些层是由过渡金属（如钛或钼）与碳或氮原子结合而成的，这使得这种材料具有很强的导电性。这些层的表面还含有氧或氟等其他原子。基于碳化钼的 MXenes 具有特别好的锂存储能力，但在反复充放电循环后，其性能很快就会下降。

解决性能退化问题

由 Husam N. Alshareef 和博士生 Zahra Bayhan 领导的研究小组发现，这种降解是由 MXene 结构中形成氧化钼的化学变化引起的。

为了解决这个问题，研究人员使用红外激光脉冲在 MXene 内形成碳化钼的小"纳米点"，这个过程被称为激光刻划。这些纳米点宽约 10 纳米，通过碳材料连接到 MXene 的层上。

这样做有几个好处。首先，纳米点为锂提供了额外的存储容量，并加快了充放电过程。激光处理还降低了材料中的氧含量，有助于防止形成有问题的氧化钼。最后，纳米点与层之间的牢固连接提高了 MXene 的导电性，并在充放电过程中稳定了其结构。这为调整电池性能提供了一种经济、快速的方法。

有希望的结果和未来应用

用这种激光刻划材料制作的阳极在锂离子电池中进行了 1000 次充放电循环测试。值得注意的是，与未改性的 MXene 相比，添加了纳米点的这种材料的蓄电能力提高了四倍，几乎达到了石墨的理论峰值容量。此外，这种激光改性材料在整个测试阶段都保持了其全部容量。

研究小组认为，激光划线可作为一种通用策略，用于改善其他 MXene 的性能。这有助于开发新一代充电电池，例如使用比锂更便宜、更丰富的金属。Alshareef 解释说："与石墨不同，MXenes 还能夹杂钠离子和钾离子。"