گسترش استفاده از سیلیکون در باتری ها ، با جلوگیری از گسترش الکترودها

جدیدترین باتری های لیتیوم یونی موجود در بازار احتمالاً عمر شارژ تلفن ها و اتومبیل های برقی را تا 40 درصد افزایش می دهد. این جهش رو به جلو ، که پس از بیش از یک دهه از پیشرفت های افزایشی حاصل می شود ، اتفاق می افتد زیرا توسعه دهندگان جایگزین آند گرافیتی باتری با یک ساخته شده از سیلیکون می شوند. تحقیقات دانشگاه Drexel و کالج ترینیتی در ایرلند نشان می دهد که اگر سیلیکون با نوع خاصی از مواد به نام MXene تقویت شود ، می تواند پیشرفت بیشتری داشته باشد.

این گروه می تواند عمر باتری های لیتیوم یون را به اندازه پنج برابر افزایش دهد ، گروهی که اخیراً در ارتباطات Nature گزارش داده اند . به دلیل توانایی ماده MXene دو بعدی در جلوگیری از آند سیلیکون امکان پذیر است از گسترش به نقطه شکست آن در هنگام شارژ شدن است - مشکلی که از مدتی استفاده آن جلوگیری می کند.

یوری گوگوتسی ، دکتری ، دانشگاه برجسته و استاد باخ در کالج مهندسی درکسل و مدیر AJ گفت: "پیش بینی می شود که آندهای سیلیکون جایگزین آندهای گرافیتی در باتری های لیتیوم یون با تأثیر بسیار زیادی بر میزان انرژی ذخیره شده شوند." مؤسسه درکسل نانومواد در گروه علوم و مهندسی مواد که همکار این تحقیق بود. "ما دریافته ایم که افزودن مواد MXene به آندهای سیلیکون می تواند آنها را به اندازه کافی تثبیت کند تا در باتری ها از آنها استفاده شود."

در باتری ها ، شارژ در الکترودها - کاتد و آند - نگه داشته می شود و در حالی که یون ها از آند به کاتد عبور می کنند ، به دستگاه های ما تحویل داده می شوند. یونها هنگام شارژ مجدد باتری به آند باز می گردند. با پیدا کردن راه هایی برای بهبود توانایی الکترود در ارسال و دریافت یون های بیشتر ، عمر باتری به طور پیوسته افزایش یافته است. جایگزینی سیلیکون برای گرافیت به عنوان ماده اولیه در آند Li-ion ظرفیت جذب آن در یون ها را بهبود می بخشد زیرا هر اتم سیلیکون می تواند تا چهار یون لیتیوم را بپذیرد ، در حالی که در آندهای گرافیتی ، شش اتم کربن فقط در یک لیتیوم مصرف می کنند. اما با شارژ بیشتر ، سیلیکون - تا حدود 300 درصد - گسترش می یابد که می تواند باعث خراب شدن آن و خرابی باتری شود.

آند MXene-silicon را می توان از طریق ریخته گری دوغاب ایجاد کرد ، به این معنی که می توان آن را به راحتی برای تولید انبوه آندها در هر اندازه اندازه گیری کرد. اعتبار: کالج ترینیتی
بیشتر راه حل ها برای این مشکل شامل اضافه کردن مواد کربن و چسب های پلیمری برای ایجاد چارچوبی برای مهار سیلیکون است. طبق گفته گوگوتي روند انجام آن پيچيده است و كربن كمتر در شارژ نگهداري توسط باتر كمك مي كند.

در مقابل ، روش گروه Drexel و Trinity پودر سیلیکون را در محلول MXene مخلوط می کند تا یک آند ترکیبی سیلیکون-MXene ایجاد شود. نانوذرات MXene بطور تصادفی توزیع می شوند و در حین پیچیدن ذرات سیلیکون ، شبکه مداوم را تشکیل می دهند ، بنابراین به عنوان یک ماده افزودنی و چسبنده همزمان در همان زمان عمل می کنند. این فریم ورک MXene است که به محض رسیدن به آنها یونی سفارش می دهد و مانع از گسترش آند می شود.

گوگسی گفت: "MXenes کلید کمک به سیلیکون برای دستیابی به پتانسیل خود در باتری ها است." "از آنجا که MXenes مواد دو بعدی هستند ، فضای بیشتری برای یونها در آند وجود دارد و آنها می توانند با سرعت بیشتری به داخل آن حرکت کنند - بنابراین ظرفیت و هدایت الکترود را بهبود می بخشد. آنها همچنین از مقاومت مکانیکی بسیار خوبی برخوردار هستند ، بنابراین سیلیکون-MXene آند می شود. همچنین تا 450 میکرون ضخامت کاملاً بادوام هستند. "

فرآیند ریخته گری دوغاب به ورق های MXene اجازه می دهد تا شبکه ای در اطراف ذرات سیلیکونی تشکیل دهند که امکان پذیرش منظم یون های لیتیوم را فراهم می کند ، بنابراین مانع از گسترش و شکست آند می شود. اعتبار: کالج ترینیتی
MXenes ، که برای اولین بار در سال Drexel در سال 2011 کشف شد ، با استفاده از روش شیمیایی اچ کردن یک ماده سرامیکی لایه ای به نام فاز MAX ساخته می شود ، برای جدا کردن مجموعه ای از لایه های مربوط به شیمیایی ، ترک پشته ای از تکه های دو بعدی. محققان تا به امروز بیش از 30 نوع MXene تولید کرده اند که هر کدام مجموعه ای از خواص کمی متفاوت دارند. این گروه دو مورد از آنها را برای ساختن آندهای سیلیکون-MXene برای کاغذ انتخاب کردند: کاربید تیتانیوم و کربنیتیدید تیتانیوم. آنها همچنین آندهای باتری ساخته شده از نانوذرات سیلیکونی پیچیده شده با گرافن را آزمایش کردند.

هر سه نمونه آند ظرفیت لیتیوم-یون بالاتر از آند گرافیت یا سیلیکون-کربن مورد استفاده در باتری های لیتیوم یون و هدایت برتر را نشان دادند - به سفارش 100 تا 1000 برابر بیشتر از آندهای سیلیکون معمولی ، وقتی MXene اضافه می شود.

آنها می نویسند: "شبکه پیوسته از نانوذرات MXene نه تنها هدایت الکتریکی کافی و فضای آزاد را برای جبران تغییر حجم فراهم می کند بلکه بی ثباتی مکانیکی Si را نیز برطرف می کند." بنابراین ، ترکیبی از جوهر MXene چسبناک و ظرفیت بالا Si نشان داده شده در اینجا یک تکنیک قدرتمند برای ساخت نانوساختارهای پیشرفته با عملکرد استثنایی ارائه می دهد. "