Drexel und Trinity-Forscher nutzen MXene, um Siliziumanoden in die Lage zu versetzen, große Volumenänderungen bei Zyklen zu vermeiden

Forscher der Drexel University und des Trinity College in Irland haben gezeigt, dass zweidimensionale Titancarbid- oder Carbonitrid-Nanoblätter – MXenes – als leitfähiges Bindemittel für Siliziumelektroden verwendet werden können, die durch eine einfache und skalierbare Schlammgusstechnik hergestellt werden, ohne dass weitere Zusatzstoffe erforderlich sind . Die Nanoblätter bilden ein kontinuierliches metallisches Netzwerk, ermöglichen einen schnellen Ladungstransport und sorgen für eine gute mechanische Verstärkung der dicken Elektrode (bis zu 450 μm).

Folglich berichten sie in einem frei zugänglichen Artikel in Nature Communications, dass sie Anoden mit sehr hoher Flächenkapazität (bis zu 23,3 mAh cm−2) demonstriert haben.

Traditionell bestehen Elektrodenzusätze aus zwei Komponenten, die auf einem leitfähigen Wirkstoff (z. B. Ruß, CB) und einem Polymerbindemittel basieren. Während Ersteres den Ladungstransport durch die Elektrode gewährleistet, hält Letzteres die aktiven Materialien und CB während des Zyklierens mechanisch zusammen. Obwohl diese herkömmlichen Elektrodenadditive in Li-Ionen-Batterietechnologien weit verbreitet sind, versagen sie bei Elektroden mit hoher Kapazität, insbesondere bei solchen mit großen Volumenänderungen. Dies liegt daran, dass das Polymerbindemittel mechanisch nicht robust genug ist, um den bei der Lithiierung/Delithiierung induzierten Belastungen standzuhalten, was zu einer schwerwiegenden Störung der leitenden Netzwerke führt. Dies führt zu einem schnellen Kapazitätsverlust und einer schlechten Lebensdauer.

Dieses Problem kann durch den Einsatz eines leitfähigen Bindemittels gelöst werden, um die große Volumenänderung der Elektroden auszugleichen. … Hier zeigen wir, dass die oben genannten Ziele gleichzeitig erreicht werden können, indem MXene-Nanoblätter als neue Klasse leitfähiger Bindemittel verwendet werden, um Anoden mit hohem M/ASi/MXene-Anteil ohne zusätzliches Polymer oder CB herzustellen.

Während des Schlammgussverfahrens verbinden sich Schichten aus MXene-Material mit Siliziumpartikeln und bilden ein Netzwerk, das eine geordnetere Aufnahme von Lithiumionen ermöglicht und verhindert, dass sich die Siliziumanode ausdehnt und zerbricht. Quelle: Drexel University

Die Anreicherung von Silizium mit MXene könnte die Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien um das Fünffache verlängern; Das zweidimensionale MXene-Material verhindert, dass sich die Siliziumanode beim Laden bis zur Bruchgrenze ausdehnt.

Die meisten Lösungen für das Problem der Volumenausdehnung bei Siliziumanoden umfassen die Zugabe von Kohlenstoffmaterialien und Polymerbindemitteln, um ein Gerüst für die Aufnahme des Siliziums zu schaffen. Laut Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University und Bach-Professor am Drexel College of Engineering und Direktor des AJ Drexel Nanomaterials Institute im Department of Materials Science and Engineering und Mitautor der Forschung, ist der Prozess dafür komplex und Kohlenstoff trägt wenig zur Ladungsspeicherung durch die Batterie bei.

Im Gegensatz dazu mischt die Methode der Drexel- und Trinity-Gruppe Siliziumpulver in eine MXene-Lösung, um eine hybride Silizium-MXene-Anode zu erzeugen. MXene-Nanoblätter verteilen sich zufällig und bilden ein kontinuierliches Netzwerk, während sie sich um die Siliziumpartikel wickeln und so gleichzeitig als leitfähiges Additiv und Bindemittel fungieren. Es ist das MXene-Gerüst, das den ankommenden Ionen auch Ordnung verleiht und verhindert, dass sich die Anode ausdehnt.

MXene sind der Schlüssel dazu, dass Silizium sein Potenzial in Batterien ausschöpfen kann. Da es sich bei MXenen um zweidimensionale Materialien handelt, gibt es in der Anode mehr Platz für die Ionen und sie können schneller hineinwandern – wodurch sowohl die Kapazität als auch die Leitfähigkeit der Elektrode verbessert werden. Sie verfügen außerdem über eine hervorragende mechanische Festigkeit, sodass Silizium-MXene-Anoden auch bis zu einer Dicke von 450 Mikrometern recht langlebig sind.

MXene, die erstmals 2011 in Drexel entdeckt wurden, werden durch chemisches Ätzen eines geschichteten Keramikmaterials namens MAX-Phase hergestellt, um eine Reihe chemisch verwandter Schichten zu entfernen und einen Stapel zweidimensionaler Flocken zurückzulassen. Bisher haben Forscher mehr als 30 MXene-Typen hergestellt, von denen jeder leicht unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Die Gruppe wählte zwei davon aus, um die für das Papier getesteten Silizium-MXen-Anoden herzustellen: Titancarbid und Titancarbonitrid. Sie testeten auch Batterieanoden aus mit Graphen umwickelten Silizium-Nanopartikeln.

Alle drei Anodenproben zeigten eine höhere Lithiumionenkapazität als aktuelle Graphit- oder Silizium-Kohlenstoff-Anoden, die in Li-Ionen-Batterien verwendet werden, und eine überlegene Leitfähigkeit – in der Größenordnung von 100 bis 1.000 Mal höher als bei herkömmlichen Siliziumanoden, wenn MXene hinzugefügt wird.

Das kontinuierliche Netzwerk aus MXene-Nanoblättern bietet nicht nur ausreichend elektrische Leitfähigkeit und Freiraum für die Anpassung an die Volumenänderung, sondern löst auch gut die mechanische Instabilität von Si. Daher bietet die hier gezeigte Kombination aus viskoser MXene-Tinte und hochkapazitätsfähigem Si eine leistungsstarke Technik zum Aufbau fortschrittlicher Nanostrukturen mit außergewöhnlicher Leistung.

Chuanfang Zhang, PhD, ein Postdoktorand bei Trinity und Hauptautor der Studie, weist außerdem darauf hin, dass die Herstellung der MXene-Anoden durch Schlammgießen leicht für die Massenproduktion von Anoden jeder Größe skalierbar ist, was bedeutet, dass sie dies könnten finden Eingang in Batterien, die nahezu jedes unserer Geräte mit Strom versorgen.

Die Studie wurde von Zhang geleitet, einem Postdoktoranden am Trinity College, der als Doktorand in Gogotsis Labor arbeitete. Es handelte sich um eine Zusammenarbeit zwischen Gogotsi und den Trinity-Professoren Jonathan N. Coleman und Valeria Nicolosi, anerkannten europäischen Spitzenreitern auf dem Gebiet der 2D-Materialien. Sang-Hoon Park, Andrés Seral-Acaso, Sebastian Barwich, Niall McEvoy und Conor S. Boland vom Trinity College trugen ebenfalls zu dieser Forschung bei.

Ressourcen

Chuanfang (John) Zhang, Sang-Hoon Park, Andrew Seral-Ascaso, Sebastian Barwich, Niall McEvoy, Conor S. Boland, Jonathan N. Coleman, Yury Gogotsi und Valeria Nicolosi (2019). Tinte“ Nature Communications doi:10.1038/s41467 -019-08383-y

Gepostet am 22. Februar 2019 in Batterien | Permalink | Kommentare (1)