Исследователи Drexel и Trinity используют MXene, чтобы кремниевые аноды могли избежать больших изменений объема при циклическом использовании.

Исследователи из Университета Дрекселя и Тринити-колледжа в Ирландии показали, что двумерные нанолисты карбида или карбонитрида титана — MXenes — могут использоваться в качестве проводящего связующего для кремниевых электродов, изготовленных с помощью простой и масштабируемой технологии литья из суспензии без необходимости использования каких-либо других добавок. . Нанолисты образуют непрерывную металлическую сетку, обеспечивают быстрый перенос заряда и обеспечивают хорошее механическое усиление толстого электрода (до 450 мкм).

Следовательно, как они сообщают в статье с открытым доступом в журнале Nature Communications, они продемонстрировали аноды с очень большой площадью поверхности (до 23,3 мАч/см2).

Традиционно электродные добавки изготавливаются из двух компонентов на основе проводящего агента (например, технического углерода, CB) и полимерного связующего. В то время как первый обеспечивает перенос заряда по всему электроду, второй механически удерживает активные материалы и CB вместе во время циклирования. Хотя эти традиционные электродные добавки широко применяются в технологиях литий-ионных аккумуляторов, они неэффективны в электродах высокой емкости, особенно в тех, которые демонстрируют большие изменения объема. Это связано с тем, что полимерное связующее недостаточно прочно механически, чтобы выдерживать напряжение, возникающее во время литиирования/делитиации, что приводит к серьезному разрушению проводящих сетей. Это приводит к быстрому снижению емкости и сокращению срока службы.

Эту проблему можно решить, используя проводящее связующее, позволяющее компенсировать большие изменения объема электродов. … Здесь мы показываем, что цели, изложенные выше, могут быть одновременно достигнуты за счет использования нанолистов MXene в качестве нового класса проводящего связующего для изготовления анодов с высоким содержанием M/ASi/MXene без какого-либо дополнительного полимера или CB.

В процессе литья суспензии листы материала MXene соединяются с частицами кремния, образуя сетку, которая обеспечивает более упорядоченный прием ионов лития, что предотвращает расширение и разрушение кремниевого анода. Источник: Университет Дрекселя.

Обогащение кремния MXene может продлить срок службы литий-ионных батарей в пять раз; двумерный материал MXene предотвращает расширение кремниевого анода до предела разрушения во время зарядки.

Большинство решений проблемы объемного расширения кремниевых анодов включали добавление углеродных материалов и полимерных связующих для создания каркаса, удерживающего кремний. По словам Юрия Гогоци, доктора философии, заслуженного университета и профессора Баха Инженерного колледжа Дрекселя, директора Института наноматериалов им. А.Дж. Дрекселя на факультете материаловедения и инженерии и соавтора исследования, сложен. а углерод мало способствует накоплению заряда батареи.

Напротив, метод группы Дрекселя и Тринити смешивает кремниевый порошок с раствором MXene для создания гибридного анода кремний-MXene. Нанолисты MXene распределяются случайным образом и образуют непрерывную сеть, охватывая частицы кремния, действуя таким образом одновременно как проводящая добавка и связующее. Именно структура MXene также упорядочивает ионы по мере их поступления и предотвращает расширение анода.

MXenes являются ключом к тому, чтобы помочь кремнию раскрыть свой потенциал в батареях. Поскольку MXenes являются двумерными материалами, в аноде остается больше места для ионов, и они могут быстрее проникать в него, что улучшает как емкость, так и проводимость электрода. Они также обладают превосходной механической прочностью, поэтому кремний-MXene аноды также достаточно прочны до толщины до 450 микрон.

MXenes, которые были впервые обнаружены в Дрекселе в 2011 году, производятся путем химического травления слоистого керамического материала, называемого MAX-фазой, для удаления набора химически связанных слоев, оставляя стопку двумерных чешуек. На сегодняшний день исследователи произвели более 30 типов MXene, каждый из которых имеет немного отличающийся набор свойств. Группа выбрала два из них для изготовления анодов кремний-MXene, протестированных для бумаги: карбид титана и карбонитрид титана. Они также протестировали аноды аккумуляторов, изготовленные из кремниевых наночастиц, обернутых графеном.