Los investigadores de Drexel y Trinity usan MXene para permitir que los ánodos de silicio eviten grandes cambios de volumen en ciclos

Investigadores de la Universidad de Drexel y el Trinity College en Irlanda han demostrado que las nanoláminas bidimensionales de carburo de titanio o carbonitruro (MXenes) se pueden usar como aglutinante conductor para electrodos de silicio producidos mediante una técnica de fundición en suspensión simple y escalable sin la necesidad de ningún otro aditivo. . Las nanoláminas forman una red metálica continua, permiten un transporte de carga rápido y proporcionan un buen refuerzo mecánico para el electrodo grueso (hasta 450 μm).

En consecuencia, informan en un artículo de acceso abierto en Nature Communications, han demostrado ánodos de capacidad de área muy alta (hasta 23,3 mAh cm−2).

Tradicionalmente, los aditivos para electrodos están hechos de componentes duales basados ​​en un agente conductor (es decir, negro de humo, CB) y un aglutinante polimérico. Mientras que el primero asegura el transporte de carga por todo el electrodo, el último mantiene unidos mecánicamente los materiales activos y el CB durante el ciclo. Aunque estos aditivos de electrodos tradicionales se han aplicado ampliamente en tecnologías de baterías de iones de litio, no funcionan bien en electrodos de alta capacidad, especialmente en aquellos que muestran grandes cambios de volumen. Esto se debe a que el aglutinante polimérico no es mecánicamente lo suficientemente robusto para soportar la tensión inducida durante la litiación/delitiación, lo que provoca una grave interrupción de las redes conductoras. Esto da como resultado un rápido desvanecimiento de la capacidad y una vida útil deficiente.

Este problema se puede resolver empleando un aglutinante conductor para acomodar el cambio de gran volumen de los electrodos. … Aquí mostramos que los objetivos descritos anteriormente se pueden lograr simultáneamente mediante el uso de nanoláminas MXene como una nueva clase de aglutinante conductor para fabricar ánodos con alto contenido de M/ASi/MXene sin ningún polímero o CB adicional.

Durante el proceso de fundición en suspensión, las láminas de material MXene se combinan con partículas de silicio para formar una red que permite una recepción más ordenada de iones de litio, lo que evita que el ánodo de silicio se expanda y se rompa. Fuente: Universidad de Drexel

Fortificar el silicio con MXene podría extender la vida útil de las baterías de iones de litio hasta cinco veces; el material bidimensional MXene evita que el ánodo de silicio se expanda hasta su punto de ruptura durante la carga.

La mayoría de las soluciones al problema de la expansión volumétrica con ánodos de silicio han implicado agregar materiales de carbono y aglutinantes de polímeros para crear una estructura que contenga el silicio. El proceso para hacerlo, según Yury Gogotsi, PhD, Universidad Distinguida y profesor de Bachillerato en la Facultad de Ingeniería de Drexel y director del Instituto de Nanomateriales AJ Drexel en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y coautor de la investigación, es complejo. y el carbón contribuye poco al almacenamiento de carga de la batería.

Por el contrario, el método del grupo Drexel y Trinity mezcla polvo de silicio en una solución de MXene para crear un ánodo híbrido de silicio-MXene. Las nanoláminas MXene se distribuyen aleatoriamente y forman una red continua mientras se envuelven alrededor de las partículas de silicio, actuando así como aditivo conductor y aglutinante al mismo tiempo. Es el marco MXene el que también impone orden a los iones a medida que llegan y evita que el ánodo se expanda.

Los MXenes son la clave para ayudar al silicio a alcanzar su potencial en las baterías. Debido a que los MXenes son materiales bidimensionales, hay más espacio para los iones en el ánodo y pueden moverse más rápidamente hacia él, mejorando así tanto la capacidad como la conductividad del electrodo. También tienen una excelente resistencia mecánica, por lo que los ánodos de silicio-MXene también son bastante duraderos hasta 450 micrones de espesor.

Los MXenes, que se descubrieron por primera vez en Drexel en 2011, se fabrican grabando químicamente un material cerámico en capas llamado fase MAX, para eliminar un conjunto de capas químicamente relacionadas, dejando una pila de escamas bidimensionales. Los investigadores han producido más de 30 tipos de MXene hasta la fecha, cada uno con un conjunto de propiedades ligeramente diferente. El grupo seleccionó dos de ellos para hacer los ánodos de silicio-MXene probados para el papel: carburo de titanio y carbonitruro de titanio. También probaron ánodos de batería hechos de nanopartículas de silicio envueltas en grafeno.

Las tres muestras de ánodos mostraron una mayor capacidad de iones de litio que los ánodos de grafito o silicio-carbono actuales que se usan en las baterías de iones de litio y una conductividad superior, del orden de 100 a 1000 veces mayor que los ánodos de silicio convencionales, cuando se agrega MXene.

La red continua de nanoláminas MXene no solo proporciona suficiente conductividad eléctrica y espacio libre para acomodar el cambio de volumen, sino que también resuelve bien la inestabilidad mecánica del Si. Por lo tanto, la combinación de tinta MXene viscosa y Si de alta capacidad que se muestra aquí ofrece una técnica poderosa para construir nanoestructuras avanzadas con un rendimiento excepcional.

Chuanfang Zhang, PhD, investigador postdoctoral en Trinity y autor principal del estudio, también señala que la producción de ánodos MXene, mediante fundición en suspensión, es fácilmente escalable para la producción en masa de ánodos de cualquier tamaño, lo que significa que podrían se abren paso en las baterías que alimentan casi cualquiera de nuestros dispositivos.

El estudio fue dirigido por Zhang, un investigador postdoctoral en el Trinity College que era estudiante de doctorado en el laboratorio de Gogotsi. Fue un esfuerzo de colaboración entre los profesores de Gogotsi y Trinity, Jonathan N. Coleman y Valeria Nicolosi, líderes europeos reconocidos en el campo de los materiales 2D. Sang-Hoon Park, Andrés Seral-Ascaso, Sebastian Barwich, Niall McEvoy, Conor S. Boland, del Trinity College también contribuyeron a esta investigación.

Recursos

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

Publicado el 22 febrero 2019 en Baterías | Enlace permanente | Comentarios (1)