À medida que o mundo faz a transição para fontes de energia renováveis, como solar e eólica, há uma necessidade crescente de baterias recarregáveis de alto desempenho para armazenar a energia gerada por essa fonte de energia intermitente. As baterias de íon-lítio de hoje são boas, mas seu desempenho ainda precisa ser melhorado; o desenvolvimento de novos materiais de eletrodo é uma forma de melhorar seu desempenho.

Os pesquisadores da KAUST demonstraram o uso de pulsos de laser para modificar a estrutura de um promissor material de eletrodo alternativo conhecido como MXene, aumentando sua capacidade de energia e outras propriedades importantes. Suas descobertas foram publicadas na revista Small . Os pesquisadores esperam que essa estratégia possa ajudar a projetar um material de ânodo aprimorado em baterias de próxima geração.

O grafite contém camadas planas de átomos de carbono e, durante o carregamento da bateria, os átomos de lítio são armazenados entre essas camadas em um processo chamado intercalação. Os MXenes também contêm camadas que podem acomodar lítio, mas essas camadas são feitas de metais de transição , como titânio ou molibdênio, ligados a átomos de carbono ou nitrogênio , o que torna o material altamente condutor.

As superfícies das camadas também apresentam átomos adicionais, como oxigênio ou flúor. Os MXenes baseados em carboneto de molibdênio têm capacidade de armazenamento de lítio particularmente boa, mas seu desempenho logo se degrada após ciclos repetidos de carga e descarga.

A equipe, liderada por Husam N. Alshareef e Ph.D. a estudante Zahra Bayhan, descobriu que essa degradação é causada por uma alteração química que forma o óxido de molibdênio dentro da estrutura do MXene.

Para resolver esse problema, os pesquisadores usaram pulsos de laser infravermelho para criar pequenos "nanodots" de carboneto de molibdênio dentro do MXene, um processo chamado gravação a laser. Esses nanopontos, com aproximadamente 10 nanômetros de largura, foram conectados às camadas do MXene por materiais de carbono.

Isso oferece vários benefícios. Em primeiro lugar, os nanopontos fornecem capacidade de armazenamento adicional para o lítio e aceleram o processo de carga e descarga. O tratamento a laser também reduz o teor de oxigênio do material, ajudando a prevenir a formação do problemático óxido de molibdênio. Por fim, conexões fortes entre os nanopontos e as camadas melhoram a condutividade do MXene e estabilizam sua estrutura durante o carregamento e o descarregamento. "Isso fornece uma maneira econômica e rápida de ajustar o desempenho da bateria", diz Bayhan.

Os pesquisadores fizeram um ânodo do material gravado a laser e o testaram em uma bateria de íon-lítio por mais de 1.000 ciclos de carga e descarga. Com os nanopontos no lugar, o material tinha uma capacidade de armazenamento elétrico quatro vezes maior do que o MXene original e quase atingiu a capacidade máxima teórica do grafite. O material gravado a laser também não apresentou perda de capacidade durante o teste de ciclagem.

Os pesquisadores acreditam que a gravação a laser pode ser aplicada como uma estratégia geral para melhorar as propriedades de outros MXenes. Isso poderia ajudar a desenvolver uma nova geração de baterias recarregáveis que utilizam metais mais baratos e abundantes que o lítio, por exemplo. "Ao contrário do grafite, os MXenes também podem intercalar íons de sódio e potássio", explica Alshareef.