W obliczu nieustannie rosnącego zapotrzebowania na wydajne systemy magazynowania energii, zwłaszcza w kontekście wzrostu udziału odnawialnych źródeł energii, naukowcy z Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego Króla Abdullaha (KAUST) dokonali znaczącego odkrycia. Poprzez wykorzystanie impulsów laserowych do modyfikacji struktury MXene, nowatorskiego materiału elektrodowego, udało się zwiększyć jego pojemność energetyczną oraz poprawić inne kluczowe właściwości. Odnalezienie ulepszonych materiałów anodowych może zrewolucjonizować technologię akumulatorów nowej generacji, potencjalnie przewyższając możliwości obecnych akumulatorów litowo-jonowych.

Dopracowywane od wielu lat akumulatory litowo-jonowe wciąż można ulepszyć, a jednym z rozwiązania może być poprawa właściwości materiałów elektrodowych. MXene, opracowywane przez Zahry Bayhan z KAUST, obiecuje znaczące korzyści jako materiał na elektrody. Zbudowany z warstw metali przejściowych, takich jak tytan czy molibden, połączonych z atomami węgla lub azotu, MXene zachowuje właściwości, które mogą zastąpić grafit w niektórych bateriach, głównie ze względu na wyjątkową przewodność. Jego warstwy mogą przechowywać atomy litu, podobnie jak grafit, ale z dodatkową zaletą polegającą na wysokiej przewodności. Ogniwa MH na bazie węglika molibdenu wykazują znakomite właściwości magazynowania litu, jednak ich wydajność pogarsza się z powtarzającymi się cyklami ładowania i rozładowywania.

Degratacja wydajności stanowi poważne wyzwanie, a zespół naukowców pod kierownictwem Hussama N. Alsharifa oraz studentki Zahry Bayhan zidentyfikował proces chemiczny, w wyniku którego w MXene powstaje tlenek molibdenu. By zareagować na ten problem, naukowcy wykorzystali impulsy lasera w podczerwieni do stworzenia małych nanokropek węglika molibdenu w strukturze MXene. Proces ten, znany jako trasowanie laserowe, pozwolił na połączenie nanokropek o szerokości około 10 nanometrów z warstwami MXene za pomocą materiałów węglowych.

Przetwarzanie impulsami laserowymi wpłynęło korzystnie na kilka kluczowych aspektów materiału. Przede wszystkim zwiększyła się pojemność magazynowania litu, a także przyspieszył proces ładowania i rozładowywania. Dodatkowo, proces laserowy zmniejszył zawartość tlenu w materiale, co zapobiega tworzeniu się problematycznego tlenku molibdenu. Silne wiązania między nanokropkami a warstwami MXene zwiększyły przewodność elektryczną materiału i stabilizowały jego strukturę podczas cyklów ładowania i rozładowywania. Według Bayhan, technologia ta stanowi opłacalny i efektywny sposób na optymalizację wydajności akumulatorów.

W uznaniu globalnej wagi innowacji w technologii akumulatorów, przedstawione odkrycia umożliwiają znaczne postępy w magazynowaniu energii, szczególnie w kontekście przechodzenia na odnawialne źródła energii. Ekspert w dziedzinie badań nad akumulatorami, Dr Linda Nazar z Uniwersytetu Waterloo, podkreśla wagę identyfikacji nowych materiałów elektrodowych w celu zwiększenia gęstości energii oraz przedłużenia żywotności akumulatorów. Przełomowe badania prowadzone na KAUST, z zastosowaniem impulsów laserowych w kontekście modyfikacji materiału MXene, niosą ze sobą obiecujące perspektywy, prowadząc nas o krok bliżej rozwiązania problemów związanych z obecnymi ograniczeniami technologii akumulatorów.

Ten przełom może służyć jako wyznacznik dla przyszłych badań nad optymalizacją materiałów elektrodowych, otwierając nowe horyzonty w opracowywaniu zaawansowanych akumulatorów, które będą miały kluczowe znaczenie dla globalnego przejścia na bardziej zrównoważone źródła energii. Głębokie zrozumienie chemii i fizyki zaangażowanej w procesy zachodzące wewnątrz akumulatorów będzie miało znaczący wpływ na dalszy rozwój technologii magazynowania energii, co z kolei przyczyni się do realizacji celów związanych z przejściem na odnawialne źródła energii.