قد تساعد نبضات الليزر في تطوير الجيل التالي من البطاريات عالية السعة

قدمت جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) مؤخرًا نتيجة بحثية قد تساعد في تحسين مادة الأنود المستخدمة في بطاريات الجيل التالي.
يُذكر أن جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية أثبتت استخدام نبضات الليزر لتعديل بنية مادة قطب كهربائي بديلة محتملة تسمى "MXene" لتحسين قدرتها على الطاقة وخصائص رئيسية أخرى.
وأوضح العلماء في الدراسة أن الجرافيت يحتوي على طبقات مسطحة من ذرات الكربون، وأثناء شحن البطارية، يتم تخزين ذرات الليثيوم بين هذه الطبقات في عملية تعرف باسم "التضمين". ويحتوي هيكل مادة "MXene" أيضًا على طبقات يمكنها حمل الليثيوم، لكن هذه الطبقات مصنوعة من معادن انتقالية مثل التيتانيوم أو الموليبدينوم مدمجة مع ذرات الكربون أو النيتروجين، مما يجعل المادة شديدة التوصيل.
تحتوي هذه الطبقات أيضًا على ذرات إضافية، مثل الأكسجين أو الفلور، على أسطحها. يتمتع هيكل مادة "MXene" المعتمد على كربيد الموليبدينوم بقدرة تخزين ليثيوم جيدة بشكل خاص، ولكن أداءه يتدهور أيضًا بسرعة بعد دورات الشحن/التفريغ المتكررة.
وقد وجد فريق جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، بقيادة حسام الشريف وزهرة بيهان، أن هذا التحلل ناجم عن تغيرات كيميائية في بنية MXene التي تشكل أكسيد الموليبدينوم.
ولحل هذه المشكلة، استخدموا نبضات ليزر بالأشعة تحت الحمراء لإنشاء "نقاط نانوية" صغيرة من كربيد الموليبدينوم في هيكل مادة "MXene"، وهي عملية تعرف باسم "الخدش بالليزر". وتسمى هذه العملية "الخدش بالليزر". وترتبط هذه النقاط النانوية، التي يبلغ عرضها حوالي 10 نانومتر، بطبقات بنية MXene بواسطة الكربون.
يوفر هذا العديد من الفوائد: أولاً، توفر النقاط النانوية سعة تخزين إضافية للليثيوم وتسريع عملية الشحن والتفريغ. العلاج بالليزر يقلل أيضًا من محتوى الأكسجين في المادة، مما يساعد على منع تكوين أكاسيد الموليبدينوم المسببة للمشاكل. وأخيرًا، تعمل الوصلات القوية بين النقاط النانوية والطبقات على تحسين التوصيل الكهربائي لبنية مادة "MXene" وتثبيتها أثناء عملية الشحن والتفريغ.
وقال بايهان في تصريح صحفي: "يوفر هذا طريقة فعالة من حيث التكلفة وسريعة لضبط أداء البطاريات".
صنع الباحثون أنودًا باستخدام المادة المنقوشة بالليزر واختبروه في بطارية ليثيوم أيون تحتوي على أكثر من 1,{3}} دورة شحن وتفريغ. مع النقاط النانوية، كانت سعة التخزين الكهربائية للمادة أعلى بأربع مرات من MXene الأصلي، وتصل تقريبًا إلى السعة القصوى النظرية للجرافيت. كما أظهرت المادة المنقوشة بالليزر عدم فقدان القدرة في اختبارات ركوب الدراجات.
وفي ضوء هذه النتائج، يعتقدون أنه يمكن استخدام النقش بالليزر كاستراتيجية عامة لتحسين أداء الهياكل المادية الأخرى لـ "MXenes". وقد يؤدي هذا، على سبيل المثال، إلى تطوير جيل جديد من البطاريات القابلة لإعادة الشحن باستخدام معدن أرخص وأكثر وفرة من الليثيوم. بالإضافة إلى ذلك، على عكس الجرافيت، يمكن أيضًا دمج هياكل مادة MXenes مع أيونات الصوديوم والبوتاسيوم.