De senaste litiumjonbatterierna på marknaden kommer sannolikt att förlänga laddning-till-laddning-livslängden för telefoner och elbilar med så mycket som 40 procent. Detta steg framåt, som kommer efter mer än ett decennium av inkrementella förbättringar, händer eftersom utvecklare ersatt batteriets grafitanod med en gjord av kisel. Forskning från Drexel University och Trinity College i Irland tyder nu på att en ännu större förbättring skulle kunna ligga i linje om kislet förstärks med en speciell typ av material som kallas MXene.

Denna justering kan förlänga livslängden för Li-ion-batterier så mycket som fem gånger, gruppen rapporterade nyligen in Naturkommunikation . Det är möjligt på grund av det tvådimensionella MXene-materialets förmåga att förhindra att kiselanoden expanderar till bristningspunkten under laddningen – ett problem som har förhindrat dess användning under en tid.

"Kiselanoder förväntas ersätta grafitanoder i litiumjonbatterier med en enorm inverkan på mängden energi som lagras, sa Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University och Bach Professor vid Drexels College of Engineering och chef för A.J. Drexel Nanomaterials Institute vid Institutionen för materialvetenskap och teknik, som var medförfattare till forskningen. "Vi har upptäckt att lägga till MXene-material till kiselanoderna kan stabilisera dem tillräckligt för att faktiskt användas i batterier."

I batterier, laddningen hålls i elektroderna – katoden och anoden – och levereras till våra enheter när joner färdas från anod till katod. Jonerna återgår till anoden när batteriet laddas. Batteritiden har stadigt ökat genom att hitta sätt att förbättra elektrodernas förmåga att skicka och ta emot fler joner. Att ersätta kisel med grafit som det primära materialet i Li-jonanoden skulle förbättra dess förmåga att ta in joner eftersom varje kiselatom kan ta emot upp till fyra litiumjoner, i grafitanoder, sex kolatomer tar bara in ett litium. Men när den laddar, kisel expanderar också – så mycket som 300 procent – ​​vilket kan göra att det går sönder och batteriet inte fungerar.

De flesta lösningarna på detta problem har involverat tillsats av kolmaterial och polymerbindemedel för att skapa ett ramverk som innehåller kisel. Processen för att göra det, enligt Gogotsi, är komplex och kol bidrar lite till laddningslagring av batteriet.

Däremot Drexel och Trinity-gruppens metod blandar kiselpulver till en MXene-lösning för att skapa en hybrid kisel-MXene-anod. MXene nanosheets distribueras slumpmässigt och bildar ett kontinuerligt nätverk medan de lindas runt kiselpartiklarna, fungerar således som ledande tillsats och bindemedel på samma gång. Det är MXene-ramverket som också lägger ordning på joner när de anländer och hindrar anoden från att expandera.

"MXener är nyckeln till att hjälpa kisel att nå sin potential i batterier, ", sa Gogotsi. "Eftersom MXener är tvådimensionella material, det finns mer utrymme för jonerna i anoden och de kan röra sig snabbare in i den – vilket förbättrar både kapacitet och ledningsförmåga hos elektroden. De har också utmärkt mekanisk styrka, så silikon-MXene-anoder är också ganska hållbara upp till 450 mikron tjocklek."

MXenes, som först upptäcktes vid Drexel 2011, tillverkas genom att kemiskt etsa ett skiktat keramiskt material som kallas en MAX-fas, för att ta bort en uppsättning kemiskt relaterade lager, lämnar en bunt med tvådimensionella flingor. Forskare har producerat mer än 30 typer av MXene hittills, var och en med lite olika egenskaper. Gruppen valde ut två av dem för att göra kisel-MXene-anoderna som testades för papperet:titankarbid och titankarbonitrid. De testade också batterianoder gjorda av grafenlindade kiselnanopartiklar.

Alla tre anodprover visade högre litiumjonkapacitet än nuvarande grafit- eller kisel-kolanoder som används i litiumjonbatterier och överlägsen konduktivitet - i storleksordningen 100 till 1, 000 gånger högre än konventionella kiselanoder, när MXene läggs till.

"Det kontinuerliga nätverket av MXene nanosheets ger inte bara tillräcklig elektrisk ledningsförmåga och ledigt utrymme för att ta emot volymförändringen utan löser också väl den mekaniska instabiliteten hos Si, " skriver de. "Därför, kombinationen av viskös MXene-bläck och högkapacitets-Si som visas här erbjuder en kraftfull teknik för att konstruera avancerade nanostrukturer med exceptionell prestanda."

Chuanfang Zhang, Ph.D., en postdoktorand forskare vid Trinity och huvudförfattare till studien, noterar också att produktionen av MXene-anoderna, genom slamgjutning, är lätt skalbar för massproduktion av anoder av alla storlekar, vilket innebär att de kan ta sig in i batterier som driver nästan vilken som helst av våra enheter.

"Med tanke på att mer än 30 MXenes redan har rapporterats, med mer förutspått att existera, det finns säkert mycket utrymme för att ytterligare förbättra den elektrokemiska prestandan hos batterielektroder genom att använda andra material från den stora MXene-familjen, " han sa.