Ausweitung der Verwendung von Silizium in Batterien, indem verhindert wird, dass sich Elektroden ausdehnen

Forscher von Drexel und dem Trinity College in Irland haben eine Möglichkeit entwickelt, MXene-Schichten zwischen Siliziumpartikeln zu verteilen, um eine stabile Anode zu bilden, die die Kapazität von Li-Ionen-Batterien erweitern würde.

Die neuesten Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt dürften die Ladezeit von Telefonen und Elektroautos um bis zu 40 Prozent verlängern. Dieser Sprung nach vorne, der nach mehr als einem Jahrzehnt schrittweiser Verbesserungen erfolgt, ist möglich, weil die Entwickler die Graphitanode der Batterie durch eine aus Silizium ersetzt haben. Untersuchungen der Drexel University und des Trinity College in Irland deuten nun darauf hin, dass eine noch größere Verbesserung erzielt werden könnte, wenn das Silizium mit einem speziellen Materialtyp namens MXene verstärkt wird.

Diese Anpassung könnte die Lebensdauer von Li-Ionen-Batterien um das Fünffache verlängern, berichtete die Gruppe kürzlich in Nature Communications. Dies ist möglich, weil das zweidimensionale MXene-Material verhindern kann, dass sich die Siliziumanode während des Ladevorgangs bis zum Bruchpunkt ausdehnt – ein Problem, das ihre Verwendung seit einiger Zeit verhindert.

„Siliziumanoden sollen Graphitanoden in Li-Ionen-Batterien ersetzen, was einen enormen Einfluss auf die gespeicherte Energiemenge haben wird“, sagte erYury Gogotsi, PhD , Distinguished University und Bach-Professor am Drexel College of Engineering und Direktor des AJ Drexel Nanomaterials Institute in der Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, der Mitautor der Forschung war. „Wir haben herausgefunden, dass die Zugabe von MXene-Materialien zu den Siliziumanoden diese ausreichend stabilisieren kann, um tatsächlich in Batterien verwendet zu werden.“

In Batterien wird die Ladung in Elektroden – der Kathode und der Anode – gespeichert und an unsere Geräte abgegeben, während die Ionen von der Anode zur Kathode wandern. Beim Aufladen der Batterie kehren die Ionen zur Anode zurück. Durch die Suche nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Fähigkeit der Elektroden, mehr Ionen zu senden und zu empfangen, wurde die Batterielebensdauer kontinuierlich verlängert. Der Ersatz von Graphit durch Silizium als Primärmaterial in der Li-Ionen-Anode würde deren Kapazität zur Ionenaufnahme verbessern, da jedes Siliziumatom bis zu vier Lithiumionen aufnehmen kann, während in Graphitanoden sechs Kohlenstoffatome nur ein Lithium aufnehmen. Aber beim Laden dehnt sich Silizium auch aus – bis zu 300 Prozent –, was zum Bruch und zu Fehlfunktionen der Batterie führen kann.

Die meisten Lösungen für dieses Problem umfassen die Zugabe von Kohlenstoffmaterialien und Polymerbindemitteln, um ein Gerüst zur Aufnahme des Siliziums zu schaffen. Der Prozess dafür sei laut Gogotsi komplex und Kohlenstoff trage kaum zur Ladungsspeicherung der 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.

„MXenes sind der Schlüssel dazu, dass Silizium sein Potenzial in Batterien ausschöpfen kann“, sagte Gogotsi. „Da es sich bei MXenen um zweidimensionale Materialien handelt, gibt es in der Anode mehr Platz für die Ionen und sie können sich schneller hineinbewegen – was sowohl die Kapazität als auch die Leitfähigkeit der Elektrode verbessert. Sie verfügen außerdem über eine hervorragende mechanische Festigkeit, also Silizium-MXen-Anoden.“ sind auch bis zu einer Dicke von 450 Mikrometern recht haltbar.“

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“, schreiben sie. „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.

„Wenn man bedenkt, dass bereits mehr als 30 MXene gemeldet wurden und die Zahl noch größer sein wird, gibt es sicherlich viel Raum für eine weitere Verbesserung der elektrochemischen Leistung von Batterieelektroden durch die Verwendung anderer Materialien aus der großen MXene-Familie“, sagte er.

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.

Lesen Sie die vollständige Studie hier: https://rdcu.be/bnE0s

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