電極の膨張を防ぎ、電池におけるシリコンの使用を拡大

アイルランドのドレクセルとトリニティ・カレッジの研究者らは、シリコン粒子の間にMXeneシートを散在させて、リチウムイオン電池の容量を拡大する安定したアノードを形成する方法を開発した。

市場にある最新のリチウムイオン電池は、携帯電話や電気自動車の充電寿命を最大 40% 延長する可能性があります。 10年以上にわたる漸進的な改良を経て実現したこの飛躍は、開発者がバッテリーのグラファイト陽極をシリコン製の陽極に置き換えたことで実現した。 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では、MXeneと呼ばれる特殊な種類の材料でシリコンを強化すれば、さらに大きな改善が期待できることが示唆されています。

この調整により、リチウムイオン電池の寿命が5倍も延びる可能性があると、同グループは最近Nature Communications誌に報告した。 これは、二次元の MXene 材料が、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ぐ能力があるため可能です。この問題により、しばらく使用が妨げられてきました。

「シリコン陽極は、リチウムイオン電池のグラファイト陽極に取って代わり、エネルギー貯蔵量に大きな影響を与えると予測されています」と同氏は述べた。ユーリー・ゴゴツィ博士 , ドレクセル大学工学部の著名な大学およびバッハ教授であり、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、研究の共著者でもあります。 「MXene 材料をシリコンアノードに追加すると、実際に電池で使用できるほど安定化できることがわかりました。」

バッテリーでは、電荷は電極 (カソードとアノード) に保持され、イオンがアノードからカソードに移動するときにデバイスに供給されます。 バッテリーが再充電されると、イオンはアノードに戻ります。 より多くのイオンを送受信する電極の能力を向上させる方法を見つけることで、バッテリー寿命は着実に延長されました。 リチウムイオン負極の主材料としてグラファイトをシリコンに置き換えると、各シリコン原子は最大 4 つのリチウムイオンを受け入れることができるのに対し、黒鉛負極では 6 つの炭素原子が 1 つのリチウムを取り込むだけなので、イオンの取り込み能力が向上します。 しかし、充電するとシリコンも 300% も膨張し、破損やバッテリーの誤作動を引き起こす可能性があります。

この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含む枠組みを作成することが含まれていました。 ゴゴツィ氏によれば、そのプロセスは複雑で、炭素はバッテリーによる充電の貯蔵にほとんど寄与しないという。

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。

「MXenes は、シリコンが電池でその可能性を発揮できるようにするための鍵です」と Gogotsi 氏は述べています。 「MXene は二次元材料であるため、アノード内にイオンのためのより多くのスペースがあり、イオンがより速く移動できるため、電極の容量と導電性の両方が向上します。また、MXene は優れた機械的強度を備えているため、シリコン-MXene アノードはまた、厚さ 450 ミクロンまでは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カーボン 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 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」と彼らは書いています。 「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。

「すでに 30 を超える MXene が報告されており、さらに多くの MXene が存在すると予測されていることを考慮すると、大規模な MXene ファミリーの他の材料を利用することで電池電極の電気化学的性能をさらに向上させる余地は確かにたくさんあります。」と同氏は述べています。

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。

研究全文はこちらからお読みください: https://rdcu.be/bnE0s

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