Udvidelse af brugen af ​​silicium i batterier, ved at forhindre elektroder i at udvide sig

De nyeste lithium-ion-batterier på markedet vil sandsynligvis forlænge opladning-til-opladning-levetiden for telefoner og elbiler med så meget som 40 procent. Dette spring fremad, som kommer efter mere end et årti med trinvise forbedringer, sker, fordi udviklere har udskiftet batteriets grafitanode med en lavet af silicium. Forskning fra Drexel University og Trinity College i Irland tyder nu på, at en endnu større forbedring kunne være på linje, hvis siliciumet forstærkes med en speciel type materiale kaldet MXene.

Denne justering kan forlænge levetiden af ​​Li-ion batterier så meget som fem gange, gruppen rapporterede for nylig i Naturkommunikation . Det er muligt på grund af det todimensionelle MXene-materiales evne til at forhindre siliciumanoden i at udvide sig til dens bristepunkt under opladning - et problem, der har forhindret dens brug i nogen tid.

"Siliconanoder forventes at erstatte grafitanoder i Li-ion-batterier med en enorm indflydelse på mængden af ​​lagret energi, " sagde Yury Gogotsi, Ph.d., Distinguished University og Bach Professor i Drexel's College of Engineering og direktør for A.J. Drexel Nanomaterials Institute i Institut for Materialevidenskab og Engineering, som var medforfatter til forskningen. "Vi har opdaget, at tilføjelse af MXene-materialer til siliciumanoderne kan stabilisere dem nok til faktisk at blive brugt i batterier."

I batterier, ladningen holdes i elektroder - katoden og anoden - og leveres til vores enheder, når ioner rejser fra anode til katode. Ionerne vender tilbage til anoden, når batteriet genoplades. Batterilevetiden er støt blevet øget ved at finde måder at forbedre elektrodernes evne til at sende og modtage flere ioner på. At erstatte silicium med grafit som det primære materiale i Li-ion-anoden ville forbedre dens evne til at optage ioner, fordi hvert siliciumatom kan acceptere op til fire lithiumioner, mens de er i grafitanoder, seks kulstofatomer optager kun ét lithium. Men som den lader, silicium udvider sig også - så meget som 300 procent - hvilket kan få det til at gå i stykker og batteriet fejler.

De fleste løsninger på dette problem har involveret tilsætning af kulstofmaterialer og polymerbindemidler for at skabe en ramme til at indeholde silicium. Processen for at gøre det, ifølge Gogotsi, er kompleks og kulstof bidrager kun lidt til batteriets opladningsopbevaring.

Derimod Drexel og Trinity-gruppens metode blander siliciumpulver i en MXene-opløsning for at skabe en hybrid silicium-MXene-anode. MXene nanosheets fordeler sig tilfældigt og danner et kontinuerligt netværk, mens de vikler sig rundt om siliciumpartiklerne, fungerer således som ledende additiv og bindemiddel på samme tid. Det er MXene-rammen, der også pålægger ioner orden, når de ankommer, og forhindrer anoden i at udvide sig.

"MXener er nøglen til at hjælpe silicium med at nå sit potentiale i batterier, " sagde Gogotsi. "Fordi MXener er todimensionelle materialer, der er mere plads til ionerne i anoden, og de kan bevæge sig hurtigere ind i den – og dermed forbedre både kapacitet og ledningsevne af elektroden. De har også fremragende mekanisk styrke, så silicium-MXene anoder er også ret holdbare op til 450 mikron tykkelse."

MXenes, som først blev opdaget ved Drexel i 2011, fremstilles ved kemisk ætsning af et lagdelt keramisk materiale kaldet en MAX-fase, at fjerne et sæt kemisk relaterede lag, efterlader en stak todimensionelle flager. Forskere har produceret mere end 30 typer MXene til dato, hver med et lidt anderledes sæt egenskaber. Gruppen udvalgte to af dem til at fremstille silicium-MXene-anoderne, der blev testet til papiret:titaniumcarbid og titaniumcarbonitrid. De testede også batterianoder lavet af grafen-omviklede siliciumnanopartikler.

Alle tre anodeprøver viste højere lithium-ion-kapacitet end nuværende grafit- eller silicium-carbon-anoder brugt i Li-ion-batterier og overlegen ledningsevne - i størrelsesordenen 100 til 1, 000 gange højere end konventionelle siliciumanoder, når MXene tilføjes.

"Det kontinuerlige netværk af MXene nanoark giver ikke kun tilstrækkelig elektrisk ledningsevne og ledig plads til at rumme volumenændringen, men løser også godt den mekaniske ustabilitet af Si, " skriver de. "Derfor, kombinationen af ​​tyktflydende MXene-blæk og højkapacitets-Si, der er demonstreret her, tilbyder en kraftfuld teknik til at konstruere avancerede nanostrukturer med enestående ydeevne."

Chuanfang Zhang, Ph.d., en post-doc forsker ved Trinity og hovedforfatter af undersøgelsen, bemærker også, at produktionen af ​​MXene-anoderne, ved gyllestøbning, er let skalerbar til masseproduktion af anoder af enhver størrelse, hvilket betyder, at de kan finde vej til batterier, der driver stort set alle vores enheder.

"I betragtning af at mere end 30 MXener allerede er rapporteret, med mere forudsagt at eksistere, der er bestemt meget plads til yderligere at forbedre den elektrokemiske ydeevne af batterielektroder ved at bruge andre materialer fra den store MXene-familie, " han sagde.