Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah han logrado grandes avances en el almacenamiento de energía renovable mediante el uso de pulsos láser para mejorar el material del electrodo MXene. El MXene tradicional se degrada con el tiempo, principalmente debido a la formación de óxido de molibdeno. Sin embargo, con la introducción de nanopuntos procesados con láser, MXene ha demostrado mayores capacidades de almacenamiento de litio y velocidades de carga más rápidas. Sorprendentemente, en las pruebas, el material logró cuadruplicar su capacidad de almacenamiento, comparable al grafito, sin que se observara ninguna pérdida de capacidad.
Los investigadores han utilizado pulsos láser para mejorar las propiedades de los electrodos de MXene, creando un avance potencial en la tecnología de baterías recargables que podría superar a las baterías tradicionales de iones de litio.
A medida que la sociedad global recurre a fuentes de energía renovables como la solar y la eólica, aumenta la demanda de baterías recargables de alto rendimiento. Estas baterías son fundamentales para almacenar energía procedente de fuentes de energía renovables intermitentes. Si bien las baterías de iones de litio actuales son eficientes, todavía hay margen de mejora. El desarrollo de nuevos materiales para electrodos es una forma de mejorar su rendimiento.
ZahraBayhan está desarrollando baterías que contienen MXenes, que pueden sustituir al grafito en algunas baterías debido a su excelente conductividad. Fuente de la imagen: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
MXene: un material de electrodo prometedor
Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST) han demostrado cómo se pueden utilizar pulsos láser para cambiar la estructura de un material de electrodo alternativo prometedor llamado MXene, mejorando así su capacidad energética y otras propiedades clave. Los investigadores esperan que esta estrategia ayude a diseñar mejores materiales de ánodo en baterías de próxima generación.
El grafito contiene capas planas de átomos de carbono y, durante la carga de la batería, los átomos de litio se almacenan entre estas capas, un proceso llamado intercalación. Los MXenes también contienen capas que pueden albergar litio, pero estas capas están hechas de metales de transición como titanio o molibdeno combinados con átomos de carbono o nitrógeno, lo que hace que el material sea altamente conductor. Las superficies de estas capas también contienen otros átomos como oxígeno o flúor. Los MXenes basados en carburo de molibdeno tienen capacidades de almacenamiento de litio particularmente buenas, pero su rendimiento se degrada rápidamente después de repetidos ciclos de carga y descarga.
Resolver problemas de degradación del rendimiento
El equipo de investigación, dirigido por Husam N. Alshareef y la estudiante de doctorado Zahra Bayhan, descubrió que esta degradación es causada por cambios químicos en la estructura del MXene que forman óxido de molibdeno.
Para resolver este problema, los investigadores utilizaron pulsos de láser infrarrojo para formar pequeños "nanopuntos" de carburo de molibdeno dentro de MXene, un proceso conocido como trazado láser. Estos nanopuntos tienen unos 10 nanómetros de ancho y están conectados a la capa de MXene a través de un material de carbono.
Hay varios beneficios al hacer esto. En primer lugar, los nanopuntos proporcionan capacidad de almacenamiento adicional de litio y aceleran el proceso de carga y descarga. El tratamiento con láser también reduce el contenido de oxígeno en el material, lo que ayuda a prevenir la formación del problemático óxido de molibdeno. Finalmente, la fuerte conexión entre los nanopuntos y las capas mejora la conductividad de MXene y estabiliza su estructura durante la carga y descarga. Esto proporciona una forma económica y rápida de ajustar el rendimiento de la batería.
Los profesores Zahra Bayhan y Husam Alshareef creen que el trazado láser se puede utilizar como estrategia general para mejorar el rendimiento de otros MXenes. Fuente de la imagen: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
Resultados prometedores y aplicaciones futuras
Los ánodos fabricados con este material grabado con láser se probaron durante 1.000 ciclos de carga y descarga en baterías de iones de litio. En particular, el material con nanopuntos añadidos aumentó su capacidad de almacenamiento de electricidad cuatro veces en comparación con el MXene sin modificar, casi alcanzando la capacidad máxima teórica del grafito. Además, el material modificado con láser mantuvo su plena capacidad durante toda la fase de prueba.
El equipo de investigación cree que el trazado láser se puede utilizar como estrategia general para mejorar el rendimiento de otros MXenes. Esto podría ayudar a desarrollar una nueva generación de baterías recargables, utilizando, por ejemplo, metales más baratos y abundantes que el litio. "A diferencia del grafito, los MXenes también pueden incorporar iones de sodio y potasio", explica Alshareef.