激光驱动的飞跃：MXene与可充电电池技术的未来

过去30年来，全球各国对连续可再生能源系统的需求不断增加。然而，由于太阳能和风能等可再生能源资源具有间歇性的特点，让业界一直致力于开发高性能的可充电电池，尤其是锂离子电池（LIBs）。

利用激光脉冲改进电极材料MXene，研究人员在可再生能源存储领域取得了长足进步。传统的MXene会随着时间的推移而性能下降。随着激光加工纳米点的引入，MXene显示出更强的锂存储能力和更快的充电速度

随着全球转向太阳能和风能等可再生能源，对高性能充电电池的需求也在不断增加。因此，电池性能对于来自间歇性可再生能源的能量储存，至关重要。在各种电池技术中，锂电池因其能量密度高、自放电率低、寿命长和对环境无害而最受关注。

一般来说，锂电池的效率尤其是速率性能和能量密度，主要取决于所用电极的性能，这些电极通常由作为阴极的过渡金属氧化物和作为阳极的石墨组成。虽然当今的锂电池技术已经较为成熟，但仍有改进的空间。而开发新的电极材料是提高电池性能的一种方法。

MXene：一种前景广阔的电极材料

在现有的其他二维材料中，二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）家族正在蓬勃发展，最近已成为潜在高容量储能材料的新平台。近期，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员展示了如何利用激光脉冲改变“MXene”的结构，从而提高电池能量容量和其他关键性能。研究人员希望这一策略能有助于在下一代电池中设计出更好的阳极材料。

石墨含有扁平的碳原子层，在电池充电过程中，锂原子会储存在这些碳原子层之间，这一过程被称为插层。二氧化铀也含有可容纳锂的层，但这些层是由过渡金属（如钛或钼）与碳或氮原子结合而成，从而使材料具有高导电性。这些层的表面还含有氧或氟等其他原子。基于碳化钼的MXenes具有很高的锂存储能力，但在反复充放电循环后，性能很快就会下降。

解决性能退化问题

由Husam N. Alshareef和博士生Zahra Bayhan领导的研究小组发现，这种性能退化是由在MXene结构中形成氧化钼的化学变化引起的。为了解决这个问题，研究人员使用红外激光脉冲在MXene内形成碳化钼的小“纳米点”，这个过程被称为激光划线。这些纳米点宽约10纳米，通过碳材料连接到MXene层上。

这样做有几个好处。首先，纳米点为锂提供了额外的存储容量，并加快了充放电过程。激光处理还降低了材料中的氧含量，有助于防止形成有问题的氧化钼。最后，纳米点与层之间的牢固连接提高了MXene的导电性，并在充放电过程中稳定了结构。这为调整电池性能提供了一种经济、快速的方法。

激光刻蚀制备LS-Mo2CTx的示意图。图中Mo、C、O、Tx、a-c和N2分别表示元素、钼、碳、氧、表面分子（O、F和OH）、无定形碳和氮气

有希望的结果和未来应用

用这种激光刻蚀材料制作的阳极在锂电池中进行了1000次充放电循环测试。值得注意的是，与未改性的MXene相比，添加了纳米点材料的蓄电能力提高了四倍，几乎达到了石墨的理论峰值容量。此外，这种激光改性材料在整个测试阶段都保持了全部容量。

研究小组认为，激光划线可作为一种通用策略，用于改善其他MXene的性能。这有助于开发新一代充电电池，例如使用比锂更便宜、更丰富的金属。Alshareef解释说：与石墨不同，MXenes还能夹杂了钠离子和钾离子。