硅負(fù)極的膨脹問題是其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的頭號難題，如今，其正在被科研人員攻克。

小編獲悉，美國德雷克塞爾大學(xué)和愛爾蘭三一學(xué)院的研究人員表明，二維碳化鈦或碳氮化物納米片-MXenes-可用作硅負(fù)極的導(dǎo)電粘合劑，通過簡單，可擴展的漿料澆鑄技術(shù)生產(chǎn)，無需任何其他添加劑。納米片形成連續(xù)的金屬網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)快速電荷傳輸，并為厚電極(高達(dá)450μm)提供良好的機械強度。

在NatureCommunications的一篇論文中，上述研發(fā)團隊展示了非常高的面積容量負(fù)極(高達(dá)23.3mAhcm-2)。

傳統(tǒng)上，電極添加劑由基于導(dǎo)電劑(即炭黑)和聚合物粘合劑的雙組分制成。雖然前者確保電荷在整個電極中傳輸，但后者在循環(huán)期間將活性材料和炭黑機械地保持在一起。雖然這些傳統(tǒng)電極添加劑已廣泛應(yīng)用于鋰離子電池技術(shù)，但它們在高容量電極中表現(xiàn)不佳，特別是那些體積變化大的電極。這是因為聚合物粘合劑在機械上不夠堅固以承受鋰化/脫鋰期間引起的應(yīng)力，導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)重破壞。這導(dǎo)致容量衰減快和壽命差。

上述研究者表示，該問題可以通過使用導(dǎo)電粘合劑來適應(yīng)電極的大體積變化來解決。通過使用MXene納米片作為一種新型導(dǎo)電粘合劑來制造高M(jìn)/ASi/MXene負(fù)極而無需任何額外的聚合物或炭黑，可以同時實現(xiàn)上述目標(biāo)。

在漿料澆鑄過程中，MXene材料片與硅顆粒結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)，允許更有序地接收鋰離子，這防止硅陽極膨脹和破裂。資料來源：德雷塞爾大學(xué)

用MXene強化硅可以將鋰離子電池的壽命延長五倍;二維MXene材料防止硅負(fù)極在充電期間膨脹到其斷裂點。

硅負(fù)極的體積膨脹問題的大多數(shù)解決方案涉及添加碳材料和聚合物粘合劑以創(chuàng)建包含硅的框架。但實際情況來看，碳對電池的儲存充電貢獻(xiàn)很小。

相比之下，Drexel和Trinity集團的方法將硅粉混合到MXene溶液中，形成混合硅-XXene陽極。MXene納米片隨機分布并形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，同時包裹硅顆粒，以此作為導(dǎo)電添加劑和粘合劑。這是MXene框架，當(dāng)離子到達(dá)時也對離子施加順序并阻止負(fù)極膨脹。

研究人員表示，MXenes是幫助硅實現(xiàn)電池潛力的關(guān)鍵。由于MXenes是二維材料，負(fù)極中的離子有更多的空間，它們可以更快地移動到其中-從而提高電極的容量和導(dǎo)電性。它們還具有優(yōu)異的機械強度，因此硅-XMene負(fù)極也非常耐用，厚度可達(dá)450微米。

MXenes是2011年在Drexel首次發(fā)現(xiàn)的，它是通過化學(xué)蝕刻稱為MAX相的層狀陶瓷材料制成的，以去除一組化學(xué)相關(guān)層，留下一疊二維薄片。到目前為止，研究人員已經(jīng)生產(chǎn)了30多種類型的MXene，每種類型的屬性略有不同。該小組選擇其中兩個來制造用于紙張的硅-XMene陽極：碳化鈦和碳氮化鈦。他們還測試了由石墨烯包裹的硅納米顆粒制成的電池陽極。

當(dāng)添加MXene時，所有三種負(fù)極樣品顯示出比鋰離子電池中使用的當(dāng)前石墨或硅-碳負(fù)極更高的鋰離子容量和優(yōu)異的導(dǎo)電性-比傳統(tǒng)硅負(fù)極高100至1,000倍。

在論文中，研究人員表示，MXene納米片的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)不僅提供足夠的導(dǎo)電性和自由空間以適應(yīng)體積變化，而且還很好地解決了硅的機械不穩(wěn)定性。因此，這里展示的粘性MXene油墨和高容量硅的組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(jìn)納米結(jié)構(gòu)。

同時，Trinity的博士后研究員，研究的主要作者，ChuanfangZhang博士也指出，通過漿料澆鑄生產(chǎn)MXene負(fù)極很容易擴展，適用于任何陽極的大規(guī)模生產(chǎn)。