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用MXene强化硅可以延长磁翻板液位计的量程

来源:作者::发表时间:2019-09-25 14:32:50

    据认为,市场上最新一代的磁翻板液位计(Li-ion)可将电动汽车和电话的充电寿命延长40%左右。

    经过十多年的不断增强,出现了这种发展,这归因于开发人员用硅制得的石墨阳极代替了电池的石墨阳极。现在,根据在爱尔兰Drexel大学和Trinity学院进行的一项研究,用一种称为MXene的独特类型的材料强化硅可以带来更大的增强。研究人员报告说,这种修改可以将磁翻板液位计电池的寿命延长多达五倍。该研究已经发表在《自然通讯》上。

    这归功于二维(2D)MXene材料的功能,该功能可防止硅阳极在充电时拉伸至其断裂点,这一挑战已使它无法使用一段时间。

    Gogotsi还是材料科学与工程系AJ Drexel纳米材料研究所的所长。

    电池中的电荷通常保存在电极(阳极和阴极)中,并随着离子从阳极传递到阴极而提供给设备。给电池充电后,这些离子返回阳极。通过使用识别装置来增强电极传输和接收更多数量离子的能力,电池的寿命已逐渐增加。如果用硅代替锂作为磁翻板液位计阳极中的主要材料,则这将增强其吸收离子的能力。这是因为每个硅原子可以接受四个磁翻板液位计,而在石墨阳极中,六个碳原子仅吸收一个磁翻板液位计。但是,硅在充电时会膨胀300%,导致其破裂并导致电池故障。

 

磁翻板液位计.jpg

 

    解决该问题的大多数解决方案涉及添加聚合物粘合剂和碳材料,以生产用于容纳硅的骨架。根据Gogotsi的说法,这样做的过程非常复杂,碳对电池执行的电荷存储没有太大贡献。

    另一方面,在Drexel和Trinity小组开发的方法中,将硅粉混合到MXene溶液中以生产硅-MXene混合阳极。MXene纳米片材通过任意分布同时包裹在硅颗粒周围而形成连续网络,从而同时具有导电性和添加剂性。相同的MXene框架还会在离子到达时强制其顺序并抑制阳极的膨胀。

    MXenes最初于2011年在德雷克塞尔大学(Drexel University)被发现。为了开发这种材料,对一种称为MAX相的层状陶瓷材料进行了化学蚀刻,以去除一组化学相关的层,从而留下了一堆2D薄片。到目前为止,已经生产了30多种类型的MXene,每种类型的特征都稍有不同。研究小组选择了其中的两个,即碳氮化钛和碳化钛,以测试该研究的硅-二甲苯阳极。研究人员还测试了由石墨烯包裹的硅纳米颗粒制成的电池阳极。

    与磁翻板液位计电池中使用的现有石墨或硅碳阳极相比,所有三个阳极样品均显示出更高的磁翻板液位计容量和更高的电导率,比传统硅阳极大100至1,000倍。 MXene。

    研究人员写道: “ 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,而且还很好地解决了Si的机械不稳定性。” “ 因此,这里展示的粘性MXene墨水和高容量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。”

    该研究的主要作者,Trinity的博士后研究员Chuanfang Zhang博士还观察到,通过浆料浇铸可轻松扩展MXene阳极的制造规模,以大规模生产任何种类的阳极。尺寸,这意味着它们最终可用于几乎能为任何设备供电的电池。
 

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