硅陽極可以改善鋰離子電池

通過添加MXene解決破解問題可能是提高電池容量和性能的一種方法。

電池電存儲是未來個人電子產(chǎn)品，電動汽車(EV)和更高效電網(wǎng)的關(guān)鍵。但是現(xiàn)在的商用鋰離子電池不能足夠快地提供足夠的能量。因此，我們正在尋找可以增強或替代目前使用的構(gòu)成鋰離子電池的陰極，陽極和電解質(zhì)的新材料。

一個特別感興趣的領(lǐng)域是用硅代替石墨碳負電極(陽極)。當鋰離子電池充電時，鋰離子在稱為嵌入的過程中在石墨陽極中的碳原子層之間移動。今天的電池使用的是一種特殊類型的層狀石墨，它的鋰吸收量有限，但也只能通過中國人來源獲得。硅可能提供另一種選擇。

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“硅陽極預計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工程學院的杰瑞大學博士，巴格教授，AJDrexel納米材料研究所所長YuryGogotsi博士說。在材料科學與工程系。該研究在Drexel新聞稿中有所描述。

硅作為陽極的問題在于，當鋰離子嵌入時它會改變體積，膨脹到足以在幾次充電循環(huán)后產(chǎn)生裂縫。Drexel新聞稿指出，“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，因為每個硅原子可以接受多達四個鋰離子，而在石墨陽極中，六個碳原子需要只用一個鋰。但隨著它的收費，硅也會膨脹-高達300%-這可能導致它破裂，電池出現(xiàn)故障。

該問題的通常解決方案涉及添加碳和聚合物粘合劑，其產(chǎn)生包含硅的框架。根據(jù)Gogotsi的說法，這樣做的過程“很復雜，碳對電池的存儲充電很少。”

一種新型的混合動力車

相反，Drexel方法將硅粉混合到MXene溶液中以形成混合硅-XXene陽極。根據(jù)新聞稿，“MXene納米片隨機分布，在纏繞硅顆粒的同時形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，同時作為導電添加劑和粘合劑。它是MXene框架，它也會在離子到達時對其施加順序，并防止陽極膨脹。“

MXenes于2011年在Drexel首次發(fā)現(xiàn)。它們是通過化學蝕刻分層陶瓷材料制成的，稱為MAX相。去除一組化學相關(guān)的層留下一堆二維薄片。迄今為止已生產(chǎn)了30多種MXenes，每種MXenes的性質(zhì)略有不同。選擇其中兩個來制造本研究中測試的硅-MXene陽極：碳化鈦和碳氮化鈦。該小組還測試了由石墨烯包裹的硅納米顆粒制成的電池陽極。

“MXenes是幫助硅在電池中發(fā)揮其潛力的關(guān)鍵，”Gogotsi說。“因為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電性。它們還具有優(yōu)異的機械強度，因此硅-XMene陽極也非常耐用，厚度可達450微米。“

在新聞發(fā)布會上，研究人員指出，“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更高的導電性-比傳統(tǒng)硅高100至1,000倍。當添加MXene時，陽極。“

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)合提供了一種強大的技術(shù)，可以構(gòu)建具有卓越性能的先進納米結(jié)構(gòu)。”

硅陽極在完善后，預計可將鋰離子電池的充電壽命延長40%以上，從而延長個人電子產(chǎn)品的充電時間和更大的電動汽車續(xù)航時間。雖然還沒有，但德雷克塞爾的工作已顯示出一些有希望的潛力。

高級編輯凱文克萊門斯30多年來一直在撰寫有關(guān)能源，汽車和交通主題的文章。他擁有材料工程和環(huán)境教育碩士學位以及機械工程博士學位，專攻空氣動力學。他在他的工作室里建立了幾個關(guān)于電動摩托車的世界陸地速度記錄。