通过防止电极膨胀来扩大电池中硅的用途

市场上最新的锂离子电池可能会将电话和电动汽车的充电寿命延长多达40%。在经过十多年的逐步改进之后，实现了这一飞跃，因为开发人员用硅制成的石墨阳极代替了电池的石墨阳极。爱尔兰德雷克塞尔大学(Trexel University)和三一学院(Trinity College)的研究表明，如果用一种称为MXene的特殊类型的材料来强化硅，可能会取得更大的进步。

该小组最近在《自然通讯》上报道说，这种调整可以使锂离子电池的寿命延长五倍。由于二维MXene材料具有防止硅阳极在充电过程中膨胀到其断裂点的能力，因此这是有可能的，这个问题使它在一段时间内无法使用。

“预计硅阳极将替代锂离子电池中的石墨阳极，这将对所存储的能量产生巨大影响，”德雷克塞尔大学工程学院兼AJ主任巴赫教授，杰出大学的尤里·戈格西博士说材料科学与工程系的Drexel纳米材料研究所是该研究的合著者。“我们发现在硅阳极中添加MXene材料可以使它们稳定，足以在电池中实际使用。”

在电池中，电荷保持在电极(阴极和阳极)中，并随着离子从阳极到阴极的传递而传递到我们的设备中。电池充电时，离子会返回阳极。通过寻找改善电极发送和接收更多离子的能力的方法，电池寿命一直稳定增长。在锂离子阳极中用硅代替石墨作为主要材料将提高其吸收离子的能力，因为每个硅原子最多可以接受四个锂离子，而在石墨阳极中，六个碳原子仅吸收一个锂。但是，在充电时，硅也会膨胀(最多膨胀300%)，这会导致硅破裂和电池故障。

MXene-硅阳极可通过浆料浇铸制成，这意味着可以轻松扩大规模，以大规模生产各种尺寸的阳极。信用：三一学院

解决该问题的大多数解决方案涉及添加碳材料和聚合物粘合剂以创建包含硅的骨架。据Gogotsi说，这样做的过程很复杂，碳对电池的电荷存储几乎没有贡献。

相比之下，Drexel and Trinity小组的方法将硅粉混合到MXene溶液中，以创建硅-MXene混合阳极。MXene纳米片随机分布并形成连续网络，同时包裹在硅颗粒周围，因此同时充当导电添加剂和粘合剂。MXene框架还会在离子到达时强加顺序，并防止阳极膨胀。