Расширение использования кремния в батареях за счет предотвращения расширения электродов

Исследователи из Дрекселя и Тринити-колледжа в Ирландии разработали способ размещения листов MXene между частицами кремния, чтобы сформировать стабильный анод, который увеличит емкость литий-ионных батарей.

Новейшие литий-ионные аккумуляторы, представленные на рынке, вероятно, продлят срок службы телефонов и электромобилей от зарядки до зарядки на целых 40 процентов. Этот скачок вперед, который произошел после более чем десяти лет постепенных улучшений, произошел потому, что разработчики заменили графитовый анод батареи на кремниевый. Исследования Университета Дрекселя и Тринити-колледжа в Ирландии теперь показывают, что еще большее улучшение может быть достигнуто, если кремний будет усилен специальным типом материала под названием MXene.

Эта корректировка может продлить срок службы литий-ионных батарей в пять раз, сообщила группа недавно в журнале Nature Communications. Это возможно благодаря способности двумерного материала MXene предотвращать расширение кремниевого анода до точки разрушения во время зарядки — проблема, которая в течение некоторого времени препятствовала его использованию.

«Предполагается, что кремниевые аноды заменят графитовые аноды в литий-ионных батареях, что окажет огромное влияние на количество запасаемой энергии», — сказал он.Yury Gogotsi, PhD , заслуженный профессор Университета и профессор Баха Инженерного колледжа Дрекселя и директор Института наноматериалов А.Дж. Дрекселя на факультете материаловедения и инженерии, который был соавтором исследования. «Мы обнаружили, что добавление материалов MXene к кремниевым анодам может стабилизировать их настолько, что их можно будет использовать в батареях».

В батареях заряд удерживается в электродах — катоде и аноде — и доставляется к нашим устройствам, когда ионы перемещаются от анода к катоду. Ионы возвращаются на анод при перезарядке аккумулятора. Срок службы батареи постоянно увеличивается за счет поиска способов улучшить способность электродов отправлять и получать больше ионов. Замена графита кремнием в качестве основного материала в литий-ионном аноде улучшит его способность поглощать ионы, поскольку каждый атом кремния может принять до четырех ионов лития, тогда как в графитовых анодах шесть атомов углерода поглощают только один литий. Но по мере зарядки кремний также расширяется — на целых 300 процентов — что может привести к его поломке и неисправности аккумулятора.

Большинство решений этой проблемы включало добавление углеродных материалов и полимерных связующих для создания каркаса, удерживающего кремний. По словам Гогоци, процесс этого сложен, и 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 раскрытию потенциала кремния в батареях», — сказал Гогоци. «Поскольку MXenes являются двумерными материалами, в аноде больше места для ионов, и они могут быстрее перемещаться в него, тем самым улучшая как емкость, так и проводимость электрода. Они также обладают превосходной механической прочностью, поэтому аноды из кремния-MXene также весьма прочны при толщине 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.

Все три образца анодов показали более высокую литий-ионную емкость, чем современные графитовые или кремний-углеродные аноды, используемые в литий-ионных батареях, и превосходную проводимость — примерно в 100–1000 раз выше, чем у обычных кремниевых анодов при добавлении MXene.