通過防止電極膨脹可延長鋰離子電池五倍的壽命

硅陽極通常被視為鋰離子電池技術(shù)的下一個發(fā)展。如果研究人員可以檢查充電帶來的硅的物理膨脹，那么硅吸收更多電量的能力轉(zhuǎn)化為更長的電池壽命和更小的電池。研究表明，在硅電極制造過程中添加MXene墨水就可以做到這一點(diǎn)。   市場上最新的鋰離子電池可能會將手機(jī)和電動汽車的充電壽命延長40％。經(jīng)過十多年的漸進(jìn)式改進(jìn)之后，這種飛躍正在發(fā)生，因?yàn)殚_發(fā)人員用硅制成的石墨陽極取代了電池的石墨陽極。德雷克塞爾大學(xué)和愛爾蘭三一學(xué)院的研究表明，如果使用一種叫做MXene的特殊材料強(qiáng)化硅，那么可以進(jìn)行更大的改進(jìn)。   該組織最近在Nature Communications報(bào)道稱，這種調(diào)整可以將鋰離子電池的壽命延長五倍。這是可能的，因?yàn)槎SMXene材料能夠防止硅陽極在充電過程中擴(kuò)展到其斷點(diǎn) - 這個問題阻止了它在一段時(shí)間內(nèi)的使用。   “硅陽極預(yù)計(jì)會取代鋰離子電池中的石墨陽極，對儲存的能量產(chǎn)生巨大影響，”Drexel工程學(xué)院的杰瑞大學(xué)博士，巴格教授，AJ Drexel納米材料研究所所長Yury Gogotsi博士說。在該研究的共同作者，材料科學(xué)與工程系。“我們發(fā)現(xiàn)在硅陽極上添加MXene材料可以使它們穩(wěn)定，足以實(shí)際用于電池。”   在電池中，電荷保持在電極 - 陰極和陽極 - 并在離子從陽極傳播到陰極時(shí)傳送到我們的設(shè)備。當(dāng)電池重新充電時(shí)，離子返回陽極。通過尋找提高電極發(fā)送和接收更多離子的能力的方法，電池壽命穩(wěn)步增加。用硅代替石墨作為鋰離子陽極中的主要材料將提高其吸收離子的能力，因?yàn)槊總€硅原子可以接受多達(dá)四個鋰離子，而在石墨陽極中，六個碳原子僅吸收一個鋰。但隨著它的收費(fèi)，硅也會膨脹 - 高達(dá)300％ - 這會導(dǎo)致它破裂并導(dǎo)致電池故障。   該問題的大多數(shù)解決方案涉及添加碳材料和聚合物粘合劑以創(chuàng)建包含硅的框架。根據(jù)Gogotsi的說法，這樣做的過程很復(fù)雜，碳對電池的充電存儲幾乎沒有貢獻(xiàn)。   相比之下，Drexel和Trinity集團(tuán)的方法將硅粉混合到MXene溶液中，形成混合硅-XXene陽極。MXene納米片隨機(jī)分布并形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)包裹硅顆粒，同時(shí)作為導(dǎo)電添加劑和粘合劑。這是MXene框架，當(dāng)離子到達(dá)時(shí)也對離子施加順序并阻止陽極膨脹。   “MXenes是幫助硅在電池中發(fā)揮其潛力的關(guān)鍵，”Gogotsi說。“由于MXenes是二維材料，陽極中的離子有更多的空間，它們可以更快地移動到其中 - 從而提高了電極的容量和導(dǎo)電性。它們還具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，因此硅-MXene陽極也非常耐用，厚度達(dá)450微米。“   MXenes是2011年在Drexel首次發(fā)現(xiàn)的，它是通過化學(xué)蝕刻稱為MAX相的層狀陶瓷材料制成的，以去除一組化學(xué)相關(guān)的層，留下一疊二維薄片。到目前為止，研究人員已經(jīng)生產(chǎn)了30多種類型的MXene，每種類型的屬性略有不同。該小組選擇其中兩個來制造用于紙張的硅-XMene陽極：碳化鈦和碳氮化鈦。他們還測試了由石墨烯包裹的硅納米顆粒制成的電池陽極。   所有三種陽極樣品都顯示出比鋰離子電池中使用的現(xiàn)有石墨或硅 - 碳陽極更高的鋰離子容量和優(yōu)異的導(dǎo)電性 - 當(dāng)添加MXene時(shí)，其比傳統(tǒng)硅陽極高100至1,000倍。   他們寫道：“MXene納米片的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)不僅提供了足夠的導(dǎo)電性和自由空間，以適應(yīng)體積變化，而且還能很好地解決Si的機(jī)械不穩(wěn)定性。” “因此，這里展示的粘性MXene油墨和高容量Si的結(jié)合提供了一種強(qiáng)大的技術(shù)，可以構(gòu)建具有卓越性能的先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)。”   Trinity的博士后研究員，研究的主要作者，Chuanfang Zhang博士也指出，通過漿料澆鑄生產(chǎn)MXene陽極很容易擴(kuò)展，適用于任何規(guī)模的陽極的大規(guī)模生產(chǎn)，這意味著他們可以進(jìn)入幾乎可以為我們?nèi)魏卧O(shè)備供電的電池。   “考慮到已經(jīng)報(bào)道了超過30個MXene，預(yù)計(jì)存在更多的MXe，通過利用大型MXene系列的其他材料，確實(shí)有進(jìn)一步改善電池電極電化學(xué)性能的空間，”他說。