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解决硅负极膨胀 新型导电剂MXene说OK

国际新能源网  来源:高工锂电网  日期:2019-03-12
  硅负极的膨胀问题是其产业化应用的头号难题,如今,其正在被科研人员攻克。
 
  高工锂电获悉,美国德雷克塞尔大学和爱尔兰三一学院的研究人员表明,二维碳化钛或碳氮化物纳米片-MXenes-可用作硅负极的导电粘合剂,通过简单,可扩展的浆料浇铸技术生产,无需任何其他添加剂。纳米片形成连续的金属网络,实现快速电荷传输,并为厚电极(高达450μm)提供良好的机械强度。
 
  在Nature Communications的一篇论文中,上述研发团队展示了非常高的面积容量负极(高达23.3 mAh cm-2)。
 
  传统上,电极添加剂由基于导电剂(即炭黑)和聚合物粘合剂的双组分制成。虽然前者确保电荷在整个电极中传输,但后者在循环期间将活性材料和炭黑机械地保持在一起。虽然这些传统电极添加剂已广泛应用于锂离子电池技术,但它们在高容量电极中表现不佳,特别是那些体积变化大的电极。这是因为聚合物粘合剂在机械上不够坚固以承受锂化/脱锂期间引起的应力,导致导电网络的严重破坏。这导致容量衰减快和寿命差。
 
  上述研究者表示,该问题可以通过使用导电粘合剂来适应电极的大体积变化来解决。通过使用MXene纳米片作为一种新型导电粘合剂来制造高M / ASi / MXene负极而无需任何额外的聚合物或炭黑,可以同时实现上述目标。
 
  在浆料浇铸过程中,MXene材料片与硅颗粒结合形成网络,允许更有序地接收锂离子,这防止硅阳极膨胀和破裂。资料来源:德雷塞尔大学
 
  用MXene强化硅可以将锂离子电池的寿命延长五倍;二维MXene材料防止硅负极在充电期间膨胀到其断裂点。
 
  硅负极的体积膨胀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框架。但实际情况来看,碳对电池的储存充电贡献很小。
 
  相比之下,Drexel和Trinity集团的方法将硅粉混合到MXene溶液中,形成混合硅-XXene阳极。 MXene纳米片随机分布并形成连续的网络,同时包裹硅颗粒,以此作为导电添加剂和粘合剂。这是MXene框架,当离子到达时也对离子施加顺序并阻止负极膨胀。
 
  研究人员表示,MXenes是帮助硅实现电池潜力的关键。由于MXenes是二维材料,负极中的离子有更多的空间,它们可以更快地移动到其中 - 从而提高电极的容量和导电性。它们还具有优异的机械强度,因此硅-XMene负极也非常耐用,厚度可达450微米。
 
  MXenes是2011年在Drexel首次发现的,它是通过化学蚀刻称为MAX相的层状陶瓷材料制成的,以去除一组化学相关层,留下一叠二维薄片。到目前为止,研究人员已经生产了30多种类型的MXene,每种类型的属性略有不同。该小组选择其中两个来制造用于纸张的硅-XMene阳极:碳化钛和碳氮化钛。他们还测试了由石墨烯包裹的硅纳米颗粒制成的电池阳极。
 
  当添加MXene时,所有三种负极样品显示出比锂离子电池中使用的当前石墨或硅 - 碳负极更高的锂离子容量和优异的导电性 - 比传统硅负极高100至1,000倍。
 
  在论文中,研究人员表示,MXene纳米片的连续网络不仅提供足够的导电性和自由空间以适应体积变化,而且还很好地解决了硅的机械不稳定性。因此,这里展示的粘性MXene油墨和高容量硅的组合提供了一种强大的技术,可以构建具有卓越性能的先进纳米结构。
 
  同时,Trinity的博士后研究员,研究的主要作者,Chuanfang Zhang博士也指出,通过浆料浇铸生产MXene负极很容易扩展,适用于任何阳极的大规模生产。
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