Los investigadores de KAUST han logrado avances en el campo del almacenamiento de energía renovable mediante el uso de pulsos láser para mejorar MXene, un material de electrodo. El MXene tradicional enfrenta una degradación del rendimiento con el tiempo, en gran parte debido a la formación de óxido de molibdeno. Sin embargo, con la introducción de nanopuntos creados con láser, MXene presentó un almacenamiento de litio mejorado y una carga más rápida. Sorprendentemente, en las pruebas, el material experimentó un aumento de cuatro veces en su capacidad de almacenamiento, rivalizando con la del grafito, sin que se observara pérdida de capacidad.
Los investigadores utilizaron pulsos de láser para mejorar las propiedades de los electrodos de MXene, lo que condujo a un posible avance en la tecnología de baterías recargables que podría superar a las baterías tradicionales de iones de litio.
A medida que la comunidad mundial adopta fuentes de energía renovables como la solar y la eólica, la demanda de baterías recargables de alto rendimiento se intensifica. Estas baterías son esenciales para almacenar energía procedente de fuentes renovables intermitentes. Si bien las baterías de iones de litio actuales son efectivas, hay margen de mejora. El desarrollo de nuevos materiales para electrodos es una forma de mejorar su rendimiento.
Zahra Bayhan está desarrollando baterías que incorporan MXenes, que podrían sustituir al grafito en algunas baterías gracias a su excelente conductividad. Crédito: © 2023 KAUST; Anastasia Serín
MXene: un material de electrodo prometedor
Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST) han demostrado el uso de pulsos láser para modificar la estructura de un prometedor material de electrodo alternativo conocido como MXene, aumentando su capacidad energética y otras propiedades importantes. Los investigadores esperan que esta estrategia pueda ayudar a diseñar un material de ánodo mejorado 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 en un proceso llamado intercalación. Los MXenes también contienen capas que pueden acomodar litio, pero estas capas están hechas de metales de transición como titanio o molibdeno unidos a átomos de carbono o nitrógeno, lo que hace que el material sea altamente conductor. Las superficies de las capas también contienen átomos adicionales, como oxígeno o flúor. Los MXenes basados en carburo de molibdeno tienen una capacidad de almacenamiento de litio particularmente buena, pero su rendimiento pronto se degrada después de repetidos ciclos de carga y descarga.
Descubra cómo los investigadores de KAUST están ayudando a desarrollar la próxima generación de baterías recargables. Crédito: © 2023 KAUST; Anastasia Serín
Lidiar con la degradación del rendimiento
El equipo, dirigido por Husam N. Alshareef y la estudiante de doctorado Zahra Bayhan, descubrió que esta degradación es causada por un cambio químico que forma óxido de molibdeno dentro de la estructura MXene.
Para resolver este problema, los investigadores utilizaron pulsos de láser infrarrojo para crear pequeños “nanopuntos” de carburo de molibdeno dentro de MXene, un proceso llamado grabado láser. Estos nanopuntos, de aproximadamente 10 nanómetros de ancho, estaban conectados a las capas de MXene mediante materiales de carbono.
Esto ofrece varios beneficios. En primer lugar, los nanopuntos proporcionan capacidad adicional de almacenamiento de litio y aceleran el proceso de carga y descarga. El tratamiento con láser también reduce el contenido de oxígeno del material, lo que ayuda a prevenir la formación del problemático óxido de molibdeno. Finalmente, las fuertes conexiones entre los nanopuntos y las capas mejoran la conductividad de MXene y estabilizan su estructura durante la carga y descarga. «Esto proporciona una forma rápida y rentable de ajustar el rendimiento de la batería», afirma Bayhan.
Zahra Bayhan y el profesor Husam Alshareef creen que el grabado con láser podría aplicarse como estrategia general para mejorar las propiedades de otros MXenes. Crédito: © 2023 KAUST; Anastasia Serín
Resultados prometedores y aplicaciones futuras
Un ánodo creado a partir de este material grabado con láser se sometió a pruebas en una batería de iones de litio durante más de 1.000 ciclos de carga y descarga. En particular, con los nanopuntos, el material mostró un aumento de cuatro veces en la capacidad de almacenamiento eléctrico en comparación con el MXene sin cambios, casi igualando la capacidad máxima teórica del grafito. Además, este material modificado con láser mantuvo su plena capacidad durante la fase de prueba.
El equipo cree que el grabado con láser se puede aplicar como estrategia general para mejorar las propiedades de otros MXenes. Esto podría ayudar a desarrollar una nueva generación de baterías recargables que utilicen metales más baratos y abundantes que el litio, por ejemplo. «A diferencia del grafito, los MXenes también pueden intercalar iones de sodio y potasio», explica Alshareef.
Referencia: “Un Mo2CT inducido por láserX Ánodo híbrido MXene para baterías de iones de litio de alto rendimiento” por Zahra Bayhan, Jehad K. El-Demellawi, Jian Yin, Yusuf Khan, Yongjiu Lei, Eman Alhajji, Qingxiao Wang, Mohamed N. Hedhili y Husam N. Alshareef, 14 de mayo 2023, Pequeño.
DOI: 10.1002/smll.202208253
