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Jun 05, 2024

Li 개선을 위해 MXene 전극을 레이저로 처리

klyaksun/iStock 구독함으로써 귀하는 당사의 이용약관 및 정책에 동의하는 것으로 간주됩니다. 언제든지 구독을 취소할 수 있습니다. 사우디 킹압둘라과학기술대학교(KAUST) 연구진

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사우디아라비아 킹압둘라과학기술대학교(KAUST) 연구진은 배터리 전극에 레이저 스크라이빙이나 나노점 생성을 통해 저장 용량과 안정성을 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 방법은 MXene이라는 대체 전극 재료에 적용될 수 있습니다.

리튬 이온 배터리는 광범위한 응용 분야에서 여러 가지 단점을 가지고 있으며 전 세계 연구자들은 기술을 개선하거나 더 나은 대안을 찾고 있습니다.

MXene은 탄소와 질소 원자가 티타늄이나 몰리브덴과 같은 금속에 결합되어 만들어진 2차원 물질 종류입니다. 세라믹이지만 이러한 재료는 전도성이 좋고 정전용량이 높아 배터리와 같은 에너지 저장 응용 분야에 사용하기에 이상적입니다.

리튬 이온 배터리는 탄소 원자 층을 포함하는 흑연 전극을 사용합니다. 배터리가 충전되면 과학자들이 인터칼레이션(intercalation)이라고 부르는 과정에서 리튬 이온이 이러한 층 사이에 저장됩니다.

MXene은 리튬 이온이 삽입될 수 있는 추가 저장 공간을 제공하기 때문에 전극 재료로 흑연보다 선호됩니다. 그러나 문제는 충전과 방전을 반복하면 더 높은 저장 용량이 감소한다는 것입니다.

KAUST 연구진은 용량 저하의 원인이 MXene 구조 내에서 산화 몰리브덴 형성을 초래하는 화학적 변화라는 사실을 발견했습니다.

Husam N. Alshareef가 이끄는 연구팀은 적외선 레이저 펄스를 사용하여 MXene 전극의 몰리브덴 탄화물에 "나노도트"를 생성하는 레이저 스크라이빙이라는 프로세스를 사용했습니다. 이 나노점은 폭이 약 10나노미터였으며 탄소 재료로 MXene 층에 연결되었다고 보도 자료는 밝혔습니다.

레이저로 새겨진 재료는 양극을 만드는 데 사용되었으며 리튬 이온 배터리에서 1,000회 이상의 충방전 주기를 테스트했습니다. 연구진은 나노점이 있는 양극이 없는 양극보다 전기 저장 용량이 4배 더 높고 흑연의 이론적 최대 용량에 도달할 수 있다는 것을 발견했습니다. 또한 1,000사이클 후에도 성능 저하가 없었습니다.

연구원들은 레이저로 새긴 재료의 향상된 성능을 여러 요인에 기인한다고 생각합니다. 나노점의 생성은 리튬 이온이 삽입될 수 있는 추가 저장 공간을 제공하여 충전 프로세스를 가속화합니다. 또한 재료의 산소 함량을 감소시켜 산화 몰리브덴의 형성을 더욱 방지하고 MXene 전극 성능을 저하시킵니다.

나노점과 층 사이의 연결은 재료의 전도성을 더욱 향상시키고 구조를 안정화시킵니다. 연구원들은 이 접근법이 다른 금속도 사용하는 MXene의 성능을 향상시키기 위한 전략으로 적용될 수 있다고 확신합니다.

요즘 높은 수요로 인해 리튬 가격이 천정부지로 치솟고 있는 반면, MXene은 나트륨 및 칼륨과 같은 보다 풍부한 금속 이온과도 함께 작용할 수 있습니다. 이는 또한 차세대 충전식 배터리의 개발로 이어질 수 있습니다.

"이것은 배터리 성능을 조정하는 비용 효율적이고 빠른 방법을 제공합니다."라고 박사 과정에서 이 접근 방식을 연구한 Zahra Bayhan이 덧붙였습니다. KAUST 학생입니다.

연구 결과는 Small 저널에 게재되었습니다.

추상적인

빠르게 성장하고 있는 2차원(2D) 전이 금속 탄화물/질화물 제품군인 MXene은 전자 제품 및 에너지 저장 응용 분야에 유망합니다. 특히 Mo2CTx MXene은 리튬이온 배터리용 양극으로 다른 MXene보다 더 높은 용량을 입증했습니다. 그러나 이러한 향상된 용량은 느린 동역학 및 열악한 사이클링 안정성을 동반합니다. 여기서, Mo2CTx의 불안정한 사이클링 성능은 구조적 열화와 함께 MoOx로 부분 산화되기 때문인 것으로 밝혀졌다. 레이저 유도 Mo2CTx/Mo2C(LS-Mo2CTx) 하이브리드 양극이 개발되었으며, 이 중 Mo2C 나노도트는 산화환원 역학을 향상시키고 레이저로 감소된 산소 함량은 산화로 인한 구조적 저하를 방지합니다. 한편, 레이저 유도된 Mo2C 나노점과 Mo2CTx 나노시트 사이의 강력한 연결은 전도성을 향상시키고 충방전 주기 동안 구조를 안정화시킵니다. 준비된 LS-Mo2CTx 양극은 1000사이클에 걸쳐 340mAh g−1 대 83mAh g−1(원래의 경우)의 향상된 용량과 향상된 사이클링 안정성(106.2% 대 초기의 용량 유지 80.6%)을 나타냅니다. 레이저 유도 합성 접근법은 고성능 에너지 저장 응용 분야를 위한 MXene 기반 하이브리드 재료의 잠재력을 강조합니다.