De nieuwste lithium-ionbatterijen op de markt zullen waarschijnlijk de oplaadduur van telefoons en elektrische auto's met maar liefst 40 procent verlengen. Deze sprong voorwaarts, die komt na meer dan een decennium van stapsgewijze verbeteringen, gebeurt omdat ontwikkelaars de grafietanode van de batterij hebben vervangen door een van silicium. Onderzoek van Drexel University en Trinity College in Ierland suggereert nu dat een nog grotere verbetering in lijn zou kunnen zijn als het silicium wordt versterkt met een speciaal soort materiaal genaamd MXene.

Deze aanpassing kan de levensduur van Li-ion-batterijen tot vijf keer verlengen, de groep meldde onlangs in Natuurcommunicatie . Het is mogelijk vanwege het vermogen van het tweedimensionale MXene-materiaal om te voorkomen dat de siliciumanode tijdens het opladen uitzet tot het breekpunt - een probleem dat het gebruik ervan enige tijd heeft verhinderd.

"Er wordt verwacht dat siliciumanoden de grafietanodes in Li-ionbatterijen zullen vervangen, met een enorme impact op de hoeveelheid opgeslagen energie, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach Professor in Drexel's College of Engineering en directeur van de A.J. Drexel Nanomaterialen Instituut in de afdeling Materials Science and Engineering, die co-auteur was van het onderzoek. "We hebben ontdekt dat het toevoegen van MXene-materialen aan de siliciumanoden ze voldoende kan stabiliseren om daadwerkelijk in batterijen te worden gebruikt."

Bij batterijen, lading wordt vastgehouden in elektroden - de kathode en anode - en afgeleverd aan onze apparaten terwijl ionen van anode naar kathode reizen. De ionen keren terug naar de anode wanneer de batterij wordt opgeladen. De levensduur van de batterij is gestaag verlengd door manieren te vinden om het vermogen van de elektroden om meer ionen te verzenden en te ontvangen te verbeteren. Het vervangen van silicium door grafiet als het primaire materiaal in de Li-ion-anode zou zijn capaciteit voor het opnemen van ionen verbeteren, omdat elk siliciumatoom maximaal vier lithiumionen kan accepteren. terwijl in grafietanodes, zes koolstofatomen nemen slechts één lithium op. Maar zoals het oplaadt, silicium zet ook uit - tot wel 300 procent - waardoor het kan breken en de batterij defect kan raken.

De meeste oplossingen voor dit probleem waren het toevoegen van koolstofmaterialen en polymeerbindmiddelen om een ​​raamwerk te creëren dat het silicium bevat. Het proces om het te doen, volgens Gogotsi, is complex en koolstof draagt ​​weinig bij aan de oplaadopslag door de batterij.

Daarentegen, De methode van de Drexel en Trinity groep mengt siliciumpoeder in een MXene-oplossing om een ​​hybride silicium-MXene-anode te creëren. MXene-nanosheets worden willekeurig verdeeld en vormen een continu netwerk terwijl ze zich om de siliciumdeeltjes wikkelen, dus tegelijkertijd werkend als geleidend additief en bindmiddel. Het is het MXene-framework dat ook orde oplegt aan ionen wanneer ze aankomen en voorkomt dat de anode uitzet.

"MXenen zijn de sleutel om silicium te helpen zijn potentieel in batterijen te bereiken, "Zei Gogotsi. "Omdat MXenen tweedimensionale materialen zijn, er is meer ruimte voor de ionen in de anode en ze kunnen er sneller in bewegen, waardoor zowel de capaciteit als de geleidbaarheid van de elektrode wordt verbeterd. Ze hebben ook een uitstekende mechanische sterkte, dus silicium-MXene-anoden zijn ook behoorlijk duurzaam tot een dikte van 450 micron."

MXenen, die voor het eerst werden ontdekt bij Drexel in 2011, worden gemaakt door het chemisch etsen van een gelaagd keramisch materiaal dat een MAX-fase wordt genoemd, om een ​​reeks chemisch gerelateerde lagen te verwijderen, een stapel tweedimensionale vlokken achterlatend. Onderzoekers hebben tot nu toe meer dan 30 soorten MXene geproduceerd, elk met een iets andere set eigenschappen. De groep selecteerde er twee om de silicium-MXene-anoden te maken die voor het papier werden getest:titaniumcarbide en titaniumcarbonitride. Ze testten ook batterijanoden gemaakt van in grafeen gewikkelde silicium nanodeeltjes.

Alle drie de anodemonsters vertoonden een hogere lithium-ioncapaciteit dan de huidige grafiet- of silicium-koolstofanodes die worden gebruikt in Li-ionbatterijen en een superieure geleidbaarheid - in de orde van 100 tot 1, 000 keer hoger dan conventionele siliciumanoden, wanneer MXene wordt toegevoegd.

"Het continue netwerk van MXene-nanobladen biedt niet alleen voldoende elektrische geleidbaarheid en vrije ruimte voor het opvangen van de volumeverandering, maar lost ook goed de mechanische instabiliteit van Si op, ' schrijven ze. 'Daarom, de combinatie van viskeuze MXene-inkt en Si met hoge capaciteit die hier wordt gedemonstreerd, biedt een krachtige techniek om geavanceerde nanostructuren te bouwen met uitzonderlijke prestaties."

Chuanfang Zhang, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker aan Trinity en hoofdauteur van de studie, merkt ook op dat de productie van de MXene-anoden, door drijfmest, is gemakkelijk schaalbaar voor massaproductie van anoden van elke grootte, wat betekent dat ze hun weg kunnen vinden naar batterijen die zowat al onze apparaten van stroom voorzien.

"Aangezien er al meer dan 30 MXenen zijn gemeld, met meer voorspeld te bestaan, er is zeker veel ruimte om de elektrochemische prestaties van batterij-elektroden verder te verbeteren door gebruik te maken van andere materialen uit de grote MXene-familie, " hij zei.