通过添加MXene解决破解问题可能是提高电池容量和性能的一种方法

硅阳极可以改善锂离子电池

通过添加MXene解决破解问题可能是提高电池容量和性能的一种方法。

电池电存储是未来个人电子产品，电动汽车(EV)和更高效电网的关键。但是现在的商用锂离子电池不能足够快地提供足够的能量。因此，我们正在寻找可以增强或替代目前使用的构成锂离子电池的阴极，阳极和电解质的新材料。

一个特别感兴趣的领域是用硅代替石墨碳负电极(阳极)。当锂离子电池充电时，锂离子在称为嵌入的过程中在石墨阳极中的碳原子层之间移动。今天的电池使用的是一种特殊类型的层状石墨，它的锂吸收量有限，但也只能通过中国人来源获得。硅可能提供另一种选择。

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“硅阳极预计会取代锂离子电池中的石墨阳极，对储存的能量产生巨大影响，”Drexel工程学院的杰瑞大学博士，巴格教授，AJDrexel纳米材料研究所所长YuryGogotsi博士说。在材料科学与工程系。该研究在Drexel新闻稿中有所描述。

硅作为阳极的问题在于，当锂离子嵌入时它会改变体积，膨胀到足以在几次充电循环后产生裂缝。Drexel新闻稿指出，“用硅代替石墨作为锂离子阳极中的主要材料将提高其吸收离子的能力，因为每个硅原子可以接受多达四个锂离子，而在石墨阳极中，六个碳原子需要只用一个锂。但随着它的收费，硅也会膨胀-高达300%-这可能导致它破裂，电池出现故障。

该问题的通常解决方案涉及添加碳和聚合物粘合剂，其产生包含硅的框架。根据Gogotsi的说法，这样做的过程“很复杂，碳对电池的存储充电很少。”

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相反，Drexel方法将硅粉混合到MXene溶液中以形成混合硅-XXene阳极。根据新闻稿，“MXene纳米片随机分布，在缠绕硅颗粒的同时形成连续的网络，同时作为导电添加剂和粘合剂。它是MXene框架，它也会在离子到达时对其施加顺序，并防止阳极膨胀。“

MXenes于2011年在Drexel首次发现。它们是通过化学蚀刻分层陶瓷材料制成的，称为MAX相。去除一组化学相关的层留下一堆二维薄片。迄今为止已生产了30多种MXenes，每种MXenes的性质略有不同。选择其中两个来制造本研究中测试的硅-MXene阳极：碳化钛和碳氮化钛。该小组还测试了由石墨烯包裹的硅纳米颗粒制成的电池阳极。

“MXenes是帮助硅在电池中发挥其潜力的关键，”Gogotsi说。“因为MXenes是二维材料，阳极中的离子有更多的空间，它们可以更快地移动到其中-从而提高了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阳极也非常耐用，厚度可达450微米。“

在新闻发布会上，研究人员指出，“所有三种阳极样品都显示出比锂离子电池中使用的现有石墨或硅碳阳极更高的锂离子容量和更高的导电性-比传统硅高100至1,000倍。当添加MXene时，阳极。“

他们写道：“MXene纳米片的连续网络不仅提供了足够的导电性和自由空间，以适应体积变化，而且还能很好地解决Si的机械不稳定性。”“因此，这里展示的粘性MXene油墨和高容量Si的结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。”

硅阳极在完善后，预计可将锂离子电池的充电寿命延长40%以上，从而延长个人电子产品的充电时间和更大的电动汽车续航时间。虽然还没有，但德雷克塞尔的工作已显示出一些有希望的潜力。

高级编辑凯文克莱门斯30多年来一直在撰写有关能源，汽车和交通主题的文章。他拥有材料工程和环境教育硕士学位以及机械工程博士学位，专攻空气动力学。他在他的工作室里建立了几个关于电动摩托车的世界陆地速度记录。