通過防止電極膨脹來擴大電池中硅的用途

市場上最新的鋰離子電池可能會將電話和電動汽車的充電壽命延長多達40%。在經過十多年的逐步改進之后，實現了這一飛躍，因為開發人員用硅制成的石墨陽極代替了電池的石墨陽極。愛爾蘭德雷克塞爾大學(Trexel University)和三一學院(Trinity College)的研究表明，如果用一種稱為MXene的特殊類型的材料來強化硅，可能會取得更大的進步。

該小組最近在《自然通訊》上報道說，這種調整可以使鋰離子電池的壽命延長五倍。由于二維MXene材料具有防止硅陽極在充電過程中膨脹到其斷裂點的能力，因此這是有可能的，這個問題使它在一段時間內無法使用。

“預計硅陽極將替代鋰離子電池中的石墨陽極，這將對所存儲的能量產生巨大影響，”德雷克塞爾大學工程學院兼AJ主任巴赫教授，杰出大學的尤里·戈格西博士說材料科學與工程系的Drexel納米材料研究所是該研究的合著者。“我們發現在硅陽極中添加MXene材料可以使它們穩定，足以在電池中實際使用。”

在電池中，電荷保持在電極(陰極和陽極)中，并隨著離子從陽極到陰極的傳遞而傳遞到我們的設備中。電池充電時，離子會返回陽極。通過尋找改善電極發送和接收更多離子的能力的方法，電池壽命一直穩定增長。在鋰離子陽極中用硅代替石墨作為主要材料將提高其吸收離子的能力，因為每個硅原子最多可以接受四個鋰離子，而在石墨陽極中，六個碳原子僅吸收一個鋰。但是，在充電時，硅也會膨脹(最多膨脹300%)，這會導致硅破裂和電池故障。

MXene-硅陽極可通過漿料澆鑄制成，這意味著可以輕松擴大規模，以大規模生產各種尺寸的陽極。信用：三一學院

解決該問題的大多數解決方案涉及添加碳材料和聚合物粘合劑以創建包含硅的骨架。據Gogotsi說，這樣做的過程很復雜，碳對電池的電荷存儲幾乎沒有貢獻。

相比之下，Drexel and Trinity小組的方法將硅粉混合到MXene溶液中，以創建硅-MXene混合陽極。MXene納米片隨機分布并形成連續網絡，同時包裹在硅顆粒周圍，因此同時充當導電添加劑和粘合劑。MXene框架還會在離子到達時強加順序，并防止陽極膨脹。