ドレクセルとトリニティの研究者は、MXene を使用してシリコン陽極がサイクリング時の大きな体積変化を回避できるようにします。

アイルランドのドレクセル大学とトリニティ・カレッジの研究者らは、二次元の炭化チタンまたは炭窒化チタンのナノシート（MXene）が、他の添加剤を必要とせず、シンプルで拡張可能なスラリーキャスティング技術によって製造されるシリコン電極の導電性バインダーとして使用できることを示した。 。 ナノシートは連続的な金属ネットワークを形成し、高速電荷輸送を可能にし、厚い電極 (最大 450 μm) に優れた機械的補強を提供します。

その結果、彼らは、Nature Communications のオープンアクセス論文で、非常に高い面積容量のアノード (最大 23.3 mAh cm-2) を実証したと報告しています。

従来、電極添加剤は、導電剤 (カーボン ブラック、CB) とポリマーバインダーをベースとした 2 つの成分から作られています。 前者は電極全体での電荷輸送を保証しますが、後者はサイクル中に活物質と CB を機械的に保持します。 これらの従来の電極添加剤はリチウムイオン電池技術に広く適用されてきましたが、高容量電極、特に大きな体積変化を示す電極ではうまく機能しません。 これは、ポリマーバインダーがリチウム化/脱リチウム化中に誘発される応力に耐えるほど機械的に堅牢ではなく、導電ネットワークの深刻な破壊につながるためです。 その結果、容量が急速に低下し、寿命が短くなります。

この問題は、電極の大きな体積変化に対応するために導電性バインダーを採用することで解決できます。 …ここで我々は、ポリマーやCBを追加せずに高M/ASi/MXeneアノードを製造するための新しいクラスの導電性バインダーとしてMXeneナノシートを使用することで、上で概説した目標を同時に達成できることを示します。

スラリー鋳造プロセス中に、MXene 材料のシートがシリコン粒子と結合してネットワークを形成し、リチウムイオンをより規則的に受け取ることができるため、シリコンアノードの膨張や破損が防止されます。 出典: ドレクセル大学

MXene でシリコンを強化すると、リチウムイオン電池の寿命を 5 倍も延ばすことができます。 二次元MXene材料は、充電中にシリコンアノードが破壊点まで膨張するのを防ぎます。

シリコン陽極の体積膨張問題に対するほとんどの解決策には、炭素材料とポリマーバインダーを追加してシリコンを収容する枠組みを作成することが含まれていました。 この研究の共著者であり、材料科学工学部のAJドレクセル・ナノマテリアル研究所所長であり、ドレクセル大学工学部の著名大学バッハ教授であるユーリー・ゴゴツィ博士によれば、そのためのプロセスは複雑であるという。そして炭素はバッテリーによる充電貯蔵にはほとんど寄与しません。

対照的に、Drexel と Trinity グループの方法では、シリコン粉末を MXene 溶液に混合して、シリコンと MXene のハイブリッドアノードを作成します。 MXene ナノシートはランダムに分布し、シリコン粒子を包み込みながら連続的なネットワークを形成するため、導電性添加剤とバインダーとして同時に機能します。 到着時にイオンに秩序を与え、アノードの膨張を防ぐのも MXene フレームワークです。

MXene は、電池におけるシリコンの潜在能力を発揮するための鍵となります。 MXene は 2 次元材料であるため、アノード内にイオンのためのスペースが多くなり、イオンはより迅速に内部に移動できるため、電極の容量と導電性の両方が向上します。 また、シリコン-MXene アノードは優れた機械的強度も備えているため、厚さ 450 ミクロンまで非常に耐久性があります。

2011 年にドレクセルで初めて発見された MXene は、MAX 相と呼ばれる層状セラミック材料を化学エッチングして、化学的に関連した一連の層を除去し、二次元のフレークのスタックを残すことによって作られます。 研究者らはこれまでに 30 種類以上の MXene を作成しており、それぞれの特性はわずかに異なります。 同グループは、紙用にテストされたシリコン-MXene アノードを製造するために、そのうちの 2 つ、すなわち炭化チタンと炭窒化チタンを選択しました。 彼らはまた、グラフェンで包まれたシリコンナノ粒子から作られた電池の陽極もテストした。

3 つのアノード サンプルはすべて、リチウムイオン電池で使用されている現在のグラファイトまたはシリコン炭素アノードよりも高いリチウム イオン容量と、MXene を添加した場合の従来のシリコン アノードよりも 100 ～ 1,000 倍程度高い優れた導電性を示しました。

MXene ナノシートの連続ネットワークは、体積変化に対応するための十分な導電性と自由空間を提供するだけでなく、Si の機械的不安定性もうまく解決します。 したがって、ここで実証された粘性 MXene インクと高容量 Si の組み合わせは、優れた性能を備えた高度なナノ構造を構築するための強力な技術を提供します。

トリニティ社の博士研究員であり、この研究の筆頭著者であるChuanfang Zhang博士はまた、スラリーキャスティングによるMXeneアノードの製造は、あらゆるサイズのアノードの大量生産に簡単に拡張可能であり、つまり、アノードを大量生産できることを意味すると述べている。それらは、ほぼすべてのデバイスに電力を供給するバッテリーに組み込まれます。

この研究は、ゴゴツィ氏の研究室の博士課程の学生であり、トリニティ・カレッジの博士研究員であるチャン氏によって主導された。 これは、Gogotsi と、2D マテリアルの分野でヨーロッパのリーダーとして認められている Trinity 教授の Jonathan N. Coleman と Valeria Nicolosi との共同作業でした。 トリニティカレッジの Sang-Hoon Park、Andrés Seral-Ascaso、Sebastian Barwich、Niall McEvoy、Conor S. Boland もこの研究に貢献しました。

リソース

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

投稿日: 2019 年 2 月 22 日 in バッテリー | パーマリンク | コメント (1)