運用神奇材料 MXene 打造矽陽極,新型鋰電池導電性最多增千倍

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 25 日 8:30 | 分類 能源科技 , 電力儲存 , 電池 follow us in feedly

鋰離子電池經過超過十年的研究與改良後,未來有望邁向新的里程碑,近期歐洲與美國聯合團隊已運用名為 MXene 的特殊材料強化矽,提高鋰電池容量之餘,陽極導電性更是提升 100-1,000 倍。




矽是備受看好的鋰電池陽極材料,無論是在吸收鋰離子的效果還是在地殼上的含量,都比現在電池採用的石墨材料還要好,假如陽極 100% 使用矽材料,電池容量理論上可以增加 70%。

然而該材料在鋰電池充電時會膨脹 300%,放電時又會恢復正常大小,這讓矽材料的耐用性大打折扣,基本上只能用一次,因此現在的電池仍以石墨、碳為主。

目前許多科學將都想要解決這項挑戰,像是結合奈米技術,把矽製成奈米級線狀或管狀晶體或粒子,希望能讓矽能承受更大的體積變化,或是藉此解決矽膨脹的問題,先前加拿大也以 3、5、8 和 15 nm 四種不同直徑長度的矽奈米粒子進行實驗,觀察不同大小的矽奈米粒子在充放電中如何變化,最終發現矽奈米粒子愈小愈好。

▲ MXene 溶液(Source:卓克索大學

而此次美國卓克索大學與愛爾蘭都柏林大學三一學院跨國跨校合作,將特殊材料 MXene 溶液與矽奈米粒子混合,製作成神奇的矽-MXene 陽極。其中 MXene 材料是卓克索大學 2011 年研發出的2D 無機化合物,目前已研發出逾30種 MXenes 材料,不同配方有不同的功用,而研究團隊則先選用碳化鈦、碳氮化鈦 MXene 材料與石墨烯來跟矽合作。

研究指出,MXene 能當作另類的導電添加劑和黏合劑,製成鋰電池陽極之後,MXene 會形成層狀且隨機分布,矽奈米粒子則穿插其中,可控制離子進入陽極的順序並抑制矽奈米粒子的膨脹度。

▲ MXene 材料與矽奈米粒子的排列狀況(Source:卓克索大學

卓克所大學材料科學與工程教授 Yury Gogotsi 表示,由於 MXene 是 2D 材料,鋰離子可以更快地進入鋰陽極,進而提高電極的容量和導電性,且該材料也具有優異的機械強度(mechanical strength),耐久性相當高。

實驗結果也相當符合科學家的期待,不管是添入 MXene 還是石墨烯,儲存容量都比原有的石墨陽極還要好,導電性也比過去高 100-1,000 倍。論文主要作者三一學院研究員 Chuanfang Zhang 表示,新型陽極也可以用泥漿澆鑄(casting)來製造,有利於擴大生產與製成不同大小的電池。

且該研究也認為,可用的 MXene 材料高達 30 多種,未來團隊還可以用其餘材料來打造新電極,繼續測試矽-MXene 的發展空間。目前研究已發表在《Nature Communications》。

(首圖為示意圖,來源:pixabay

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