透過利用雷射脈衝改進電極材料MXene，阿卜杜拉國王科技大學的研究人員在再生能源儲存領域取得了長足進展。傳統的MXene 會隨著時間的推移而性能下降，這主要是由於氧化鉬的形成。然而，隨著雷射加工奈米點的引入，MXene 顯示出更強的鋰儲存能力和更快的充電速度。值得注意的是，在測試中，這種材料的儲存容量提高了四倍，可與石墨媲美，而且沒有觀察到任何容量損失。

研究人員利用雷射脈衝增強了MXene 的電極特性，從而在可充電電池技術方面取得了潛在的突破，並有望超越傳統的鋰離子電池。

隨著全球社會轉向太陽能和風能等再生能源，對高性能可充電電池的需求也不斷增加。這些電池對於儲存來自間歇性再生能源的能量至關重要。雖然現今的鋰離子電池很有效，但仍有改進的空間。開發新的電極材料是提高其性能的方法之一。

Zahra Bayhan 正在開發含有MXenes 的電池，由於MXenes 具有出色的導電性，它可以在某些電池中取代石墨。圖片來源：© 2023 KAUST; Anastasia Serin

MXene： 一種前景看好的電極材料

阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究人員展示瞭如何利用雷射脈衝改變一種被稱為MXene 的前景廣闊的替代電極材料的結構，從而提高其能量容量和其他關鍵性能。研究人員希望這項策略能有助於在下一代電池中設計出更好的陽極材料。

石墨含有扁平的碳原子層，在電池充電過程中，鋰原子會儲存在這些碳原子層之間，這個過程稱為插層。MXenes 也含有可容納鋰的層，但這些層是由過渡金屬（如鈦或鉬）與碳或氮原子結合而成的，這使得這種材料具有很強的導電性。這些層的表面也含有氧或氟等其他原子。基於碳化鉬的MXenes 具有特別好的鋰儲存能力，但在反覆充放電循環後，其性能很快就會下降。

了解KAUST 研究人員如何協助開發新一代可充電電池。來源：© 2023 KAUST; Anastasia Serin

解決效能退化問題

由Husam N. Alshareef 和博士生Zahra Bayhan 領導的研究小組發現，這種降解是由MXene 結構中形成氧化鉬的化學變化引起的。

為了解決這個問題，研究人員使用紅外線雷射脈衝在MXene 內形成碳化鉬的小”奈米點”，這個過程稱為雷射刻劃。這些奈米點寬約10 奈米，透過碳材料連接到MXene 的層。

這樣做有幾個好處。首先，奈米點為鋰提供了額外的儲存容量，並加快了充放電過程。雷射處理也降低了材料中的氧含量，有助於防止形成有問題的氧化鉬。最後，奈米點與層之間的牢固連接提高了MXene 的導電性，並在充放電過程中穩定了其結構。這為調整電池性能提供了一種經濟、快速的方法。

Zahra Bayhan 和Husam Alshareef 教授認為，雷射劃線可以作為一種通用策略來改善其他MXenes 的性能。圖片來源：© 2023 KAUST; Anastasia Serin

有希望的結果和未來應用

用這種雷射刻劃材料製作的陽極在鋰離子電池中進行了1000 次充放電循環測試。值得注意的是，與未改性的MXene 相比，添加了奈米點的這種材料的蓄電能力提高了四倍，幾乎達到了石墨的理論峰值容量。此外，這種雷射改質材料在整個測試階段都保持了其全部容量。

研究小組認為，雷射劃線可作為一種通用策略，用於改善其他MXene 的性能。這有助於開發新一代充電電池，例如使用比鋰更便宜、更豐富的金屬。Alshareef 解釋：”與石墨不同，MXenes 還能夾雜鈉離子和鉀離子。”