硅陽(yáng)極可以改善鋰離子電池

硅陽(yáng)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(chǔ)是未來(lái)個(gè)人電子產(chǎn)品，電動(dòng)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(qiáng)或替代目前使用的構(gòu)成鋰離子電池的陰極，陽(yáng)極和電解質(zhì)的新材料。

一個(gè)特別感興趣的領(lǐng)域是用硅代替石墨碳負(fù)電極(陽(yáng)極)。當(dāng)鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子在稱為嵌入的過程中在石墨陽(yáng)極中的碳原子層之間移動(dòng)。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(guó)人來(lái)源獲得。硅可能提供另一種選擇。Amphenol正弦系統(tǒng)ATV Series™重載連接器具有18位腔體布置，耐用的熱塑性外殼，法蘭安裝或直列式功能，用于配合的集成閂鎖和一體式界面密封。

“硅陽(yáng)極預(yù)計(jì)會(huì)取代鋰離子電池中的石墨陽(yáng)極，對(duì)儲(chǔ)存的能量產(chǎn)生巨大影響，”Drexel工程學(xué)院的杰瑞大學(xué)博士，巴格教授，AJ Drexel納米材料研究所所長(zhǎng)Yury Gogotsi博士說。在材料科學(xué)與工程系。該研究在Drexel新聞稿中有所描述。

硅作為陽(yáng)極的問題在于，當(dāng)鋰離子嵌入時(shí)它會(huì)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(yáng)極中的主要材料將提高其吸收離子的能力，因?yàn)槊總€(gè)硅原子可以接受多達(dá)四個(gè)鋰離子，而在石墨陽(yáng)極中，六個(gè)碳原子需要只用一個(gè)鋰。但隨著它的收費(fèi)，硅也會(huì)膨脹 - 高達(dá)300% - 這可能導(dǎo)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(fù)雜，碳對(duì)電池的存儲(chǔ)充電很少。”

相反，Drexel方法將硅粉混合到MXene溶液中以形成混合硅-XXene陽(yáng)極。根據(jù)新聞稿，“MXene納米片隨機(jī)分布，在纏繞硅顆粒的同時(shí)形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)作為導(dǎo)電添加劑和粘合劑。它是MXene框架，它也會(huì)在離子到達(dá)時(shí)對(duì)其施加順序，并防止陽(yáng)極膨脹。“

MXenes于2011年在Drexel首次發(fā)現(xiàn)。它們是通過化學(xué)蝕刻分層陶瓷材料制成的，稱為MAX相。去除一組化學(xué)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(gè)來(lái)制造本研究中測(cè)試的硅-MXene陽(yáng)極：碳化鈦和碳氮化鈦。該小組還測(cè)試了由石墨烯包裹的硅納米顆粒制成的電池陽(yáng)極。

“MXenes是幫助硅在電池中發(fā)揮其潛力的關(guān)鍵，”Gogotsi說。“因?yàn)镸Xenes是二維材料，陽(yáng)極中的離子有更多的空間，它們可以更快地移動(dòng)到其中 - 從而提高了電極的容量和導(dǎo)電性。它們還具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，因此硅-XMene陽(yáng)極也非常耐用，厚度可達(dá)450微米。“

在新聞發(fā)布會(huì)上，研究人員指出，“所有三種陽(yáng)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(yáng)極更高的鋰離子容量和更高的導(dǎo)電性 - 比傳統(tǒng)硅高100至1,000倍。當(dāng)添加MXene時(shí)，陽(yáng)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(dǎo)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(jī)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(qiáng)大的技術(shù)，可以構(gòu)建具有卓越性能的先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)。”

硅陽(yáng)極在完善后，預(yù)計(jì)可將鋰離子電池的充電壽命延長(zhǎng)40%以上，從而延長(zhǎng)個(gè)人電子產(chǎn)品的充電時(shí)間和更大的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航時(shí)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(jí)編輯凱文克萊門斯30多年來(lái)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(xué)位以及機(jī)械工程博士學(xué)位，專攻空氣動(dòng)力學(xué)。他在他的工作室里建立了幾個(gè)關(guān)于電動(dòng)摩托車的世界陸地速度記錄。