Heute Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund der Verbesserungen von Forschern, die die Graphitanode der Batterie durch eine aus Silizium ersetzte, recht effizient. Jetzt neue Arbeit von der Drexel University und dem Trinity College in Irland wird versucht, diese Effizienz weiter zu steigern, indem Siliziumanoden mit einem Material namens MXene angereichert werden.
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Siliziumanoden ersetzen Graphitanoden
"Es wird projiziert, dass Siliziumanoden Graphitanoden in Li-Ionen-Batterien ersetzen und einen großen Einfluss auf die gespeicherte Energiemenge haben", sagte Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University und Bach-Professor am Drexel College of Engineering und Direktor des AJ DrexelNanomaterialien-Institut in der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, der Mitautor der Forschung war.
"Wir haben festgestellt, dass das Hinzufügen von MXene-Materialien zu den Siliziumanoden diese ausreichend stabilisieren kann, um tatsächlich in Batterien verwendet zu werden."
Batterien funktionieren, indem sie Ladungen in Elektroden, Kathode und Anode halten. Diese Ladungen werden an unsere Geräte abgegeben, wenn Ionen von Anode zu Kathode wandern und wenn die Ionen zur Anode zurückkehren, wird die Batterie wieder aufgeladen.
Siliziumanoden können bis zu vier Lithiumionen aufnehmen, während bei Graphitanoden sechs Kohlenstoffatome nur ein Lithium aufnehmen. Das Ersetzen von Graphit durch Silizium als Hauptmaterial in der Li-Ionen-Anode würde die Effizienz verbessern, es gibt jedoch ein ProblemSilizium dehnt sich aus, wenn es sich auflädt, bis es brechen kann.
Eine MXene-Lösung
Um dieses Problem zu umgehen, entwickelten die Forscher eine neuartige Methode zum Mischen von Siliziumpulver in eine MXene-Lösung. Das Ergebnis ist eine hybride Silizium-MXene-Anode.
"MXene sind der Schlüssel, um Silizium dabei zu unterstützen, sein Potenzial in Batterien auszuschöpfen", sagte Gogotsi.
"Da MXene zweidimensionale Materialien sind, ist mehr Platz für die Ionen in der Anode und sie können sich schneller hineinbewegen - wodurch sowohl die Kapazität als auch die Leitfähigkeit der Elektrode verbessert werden. Sie haben daher auch eine ausgezeichnete mechanische FestigkeitSilizium-MXene-Anoden sind auch bis zu einer Dicke von 450 Mikrometern ziemlich langlebig. "
MXene bestehen aus einem chemisch geätzten Schichtkeramikmaterial, das als MAX-Phase bezeichnet wird. Forscher haben bisher mehr als 30 Arten von MXen hergestellt.
Das Forscherteam verwendete zwei von ihnen zur Herstellung der Silizium-MXen-Anoden und stellte fest, dass alle Anodenproben eine höhere Lithiumionenkapazität als herkömmliche Graphit- oder Silizium-Kohlenstoff-Anoden aufwiesen. Sie berichteten über eine bis zu 100- bis 1000-fache höhere Leitfähigkeiteffizienter.
"Das kontinuierliche Netzwerk von MXene-Nanoblättern bietet nicht nur eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und freien Raum, um die Volumenänderung aufzunehmen, sondern löst auch die mechanische Instabilität von Si gut auf", schreiben sie.
"Daher bietet die hier gezeigte Kombination aus viskoser MXene-Tinte und Si mit hoher Kapazität eine leistungsstarke Technik zum Aufbau fortschrittlicher Nanostrukturen mit außergewöhnlicher Leistung."
Die Forscher stellen außerdem fest, dass sich die Konstruktion der MXene-Anoden leicht für die Massenproduktion eignet. Die Studie wurde in veröffentlicht. Naturkommunikation .