Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah fizeram grandes avanços no armazenamento de energia renovável usando pulsos de laser para melhorar o material do eletrodo MXene. O MXene tradicional se degrada com o tempo, principalmente devido à formação de óxido de molibdênio. No entanto, com a introdução de nanopontos processados a laser, o MXene demonstrou capacidades de armazenamento de lítio mais fortes e velocidades de carregamento mais rápidas. Notavelmente, em testes, o material alcançou um aumento de quatro vezes na capacidade de armazenamento, comparável ao grafite, sem ser observada qualquer perda de capacidade.
Os pesquisadores usaram pulsos de laser para melhorar as propriedades dos eletrodos do MXene, criando um avanço potencial na tecnologia de baterias recarregáveis que poderia superar as baterias tradicionais de íons de lítio.
À medida que a sociedade global se volta para fontes de energia renováveis, como a energia solar e eólica, a procura por baterias recarregáveis de alto desempenho está a aumentar. Estas baterias são essenciais para armazenar energia proveniente de fontes de energia renováveis intermitentes. Embora as atuais baterias de íons de lítio sejam eficientes, ainda há espaço para melhorias. O desenvolvimento de novos materiais para eletrodos é uma forma de melhorar seu desempenho.
ZahraBayhan está desenvolvendo baterias contendo MXenes, que podem substituir o grafite em algumas baterias devido à sua excelente condutividade. Fonte da imagem: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
MXene: um material de eletrodo promissor
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah (KAUST) mostraram como os pulsos de laser podem ser usados para alterar a estrutura de um material de eletrodo alternativo promissor chamado MXene, melhorando assim sua capacidade energética e outras propriedades importantes. Os pesquisadores esperam que esta estratégia ajude a projetar melhores materiais anódicos em baterias de próxima geração.
A grafite contém camadas planas de átomos de carbono e, durante o carregamento da bateria, os átomos de lítio são armazenados entre essas camadas, um processo denominado intercalação. Os MXenes também contêm camadas que podem acomodar lítio, mas essas camadas são feitas de metais de transição, como titânio ou molibdênio, combinadas com átomos de carbono ou nitrogênio, o que torna o material altamente condutivo. As superfícies dessas camadas também contêm outros átomos, como oxigênio ou flúor. Os MXenes baseados em carboneto de molibdênio têm capacidades de armazenamento de lítio particularmente boas, mas seu desempenho se degrada rapidamente após repetidos ciclos de carga-descarga.
Resolvendo problemas de degradação de desempenho
A equipe de pesquisa, liderada por Husam N. Alshareef e pela estudante de doutorado Zahra Bayhan, descobriu que essa degradação é causada por alterações químicas na estrutura do MXene que formam o óxido de molibdênio.
Para resolver este problema, os pesquisadores usaram pulsos de laser infravermelho para formar pequenos “nanopontos” de carboneto de molibdênio dentro do MXene, um processo conhecido como gravação a laser. Esses nanopontos têm cerca de 10 nanômetros de largura e estão conectados à camada de MXene por meio de um material de carbono.
Existem vários benefícios em fazer isso. Primeiro, os nanopontos fornecem capacidade adicional de armazenamento de lítio e aceleram o processo de carga e descarga. O tratamento a laser também reduz o teor de oxigênio no material, ajudando a prevenir a formação de óxido de molibdênio problemático. Finalmente, a forte ligação entre os nanopontos e as camadas melhora a condutividade do MXene e estabiliza a sua estrutura durante a carga e descarga. Isso fornece uma maneira econômica e rápida de ajustar o desempenho da bateria.
Os professores Zahra Bayhan e Husam Alshareef acreditam que a gravação a laser pode ser usada como uma estratégia geral para melhorar o desempenho de outros MXenes. Fonte da imagem: ©2023KAUST;AnastasiaSerin
Resultados promissores e aplicações futuras
Os ânodos feitos deste material gravado a laser foram testados para 1.000 ciclos de carga-descarga em baterias de íon-lítio. Notavelmente, o material com nanopontos adicionados aumentou a sua capacidade de armazenamento de eletricidade em quatro vezes em comparação com o MXene não modificado, quase atingindo a capacidade máxima teórica do grafite. Além disso, o material modificado a laser manteve sua capacidade total durante toda a fase de testes.
A equipe de pesquisa acredita que a gravação a laser pode ser usada como uma estratégia geral para melhorar o desempenho de outros MXenes. Isto poderia ajudar a desenvolver uma nova geração de baterias recarregáveis, por exemplo, utilizando metais mais baratos e mais abundantes do que o lítio. “Ao contrário do grafite, os MXenes também podem incorporar íons de sódio e potássio”, explica Alshareef.