通过防止电极膨胀 扩大电池中硅的使用

市场上最新的锂离子电池可能会将手机和电动汽车的充电寿命延长40%。经过十多年的渐进式改进之后，这种飞跃正在发生，因为开发人员用硅制成的石墨阳极取代了电池的石墨阳极。德雷克塞尔大学和爱尔兰三一学院的研究表明，如果使用一种叫做MXene的特殊材料强化硅，那么可以进行更大的改进。

该组织最近在Nature Communications报道称，这种调整可以将锂离子电池的寿命延长五倍。这是可能的，因为二维MXene材料能够防止硅阳极在充电过程中扩展到其断点 - 这个问题阻止了它在一段时间内的使用。

“硅阳极预计会取代锂离子电池中的石墨阳极，对储存的能量产生巨大影响，”Drexel工程学院的杰瑞大学博士，巴格教授，AJ Drexel纳米材料研究所所长Yury Gogotsi博士说。在该研究的共同作者，材料科学与工程系。“我们发现在硅阳极上添加MXene材料可以使它们稳定，足以实际用于电池。”

在电池中，电荷保持在电极 - 阴极和阳极 - 并在离子从阳极传播到阴极时传送到我们的设备。当电池重新充电时，离子返回阳极。通过寻找提高电极发送和接收更多离子的能力的方法，电池寿命稳步增加。用硅代替石墨作为锂离子阳极中的主要材料将提高其吸收离子的能力，因为每个硅原子可以接受多达四个锂离子，而在石墨阳极中，六个碳原子仅吸收一个锂。但随着它的收费，硅也会膨胀 - 高达300% - 这会导致它破裂并导致电池故障。

该问题的大多数解决方案涉及添加碳材料和聚合物粘合剂以创建包含硅的框架。根据Gogotsi的说法，这样做的过程很复杂，碳对电池的充电存储几乎没有贡献。

相比之下，Drexel和Trinity集团的方法将硅粉混合到MXene溶液中，形成混合硅-XXene阳极。MXene纳米片随机分布并形成连续的网络，同时包裹硅颗粒，同时作为导电添加剂和粘合剂。这是MXene框架，当离子到达时也对离子施加顺序并阻止阳极膨胀。

“MXenes是帮助硅在电池中发挥其潜力的关键，”Gogotsi说。“由于MXenes是二维材料，阳极中的离子有更多的空间，它们可以更快地移动到其中 - 从而提高了电极的容量和导电性。它们还具有优异的机械强度，因此硅-MXene阳极也非常耐用，厚度达450微米。“

MXenes是2011年在Drexel首次发现的，它是通过化学蚀刻称为MAX相的层状陶瓷材料制成的，以去除一组化学相关的层，留下一叠二维薄片。到目前为止，研究人员已经生产了30多种类型的MXene，每种类型的属性略有不同。该小组选择其中两个来制造用于纸张的硅-XMene阳极：碳化钛和碳氮化钛。他们还测试了由石墨烯包裹的硅纳米颗粒制成的电池阳极。

所有三种阳极样品都显示出比锂离子电池中使用的现有石墨或硅 - 碳阳极更高的锂离子容量和优异的导电性 - 当添加MXene时，其比传统硅阳极高100至1,000倍。

他们写道：“MXene纳米片的连续网络不仅提供了足够的导电性和自由空间，以适应体积变化，而且还能很好地解决Si的机械不稳定性。” “因此，这里展示的粘性MXene油墨和高容量Si的结合提供了一种强大的技术，可以构建具有卓越性能的先进纳米结构。”

Trinity的博士后研究员，研究的主要作者，Chuanfang Zhang博士也指出，通过浆料浇铸生产MXene阳极很容易扩展，适用于任何规模的阳极的大规模生产，这意味着他们可以进入几乎可以为我们任何设备供电的电池。

“考虑到已经报道了超过30个MXene，预计存在更多的MXe，通过利用大型MXene系列的其他材料，确实有进一步改善电池电极电化学性能的空间，”他说。