Drexel과 Trinity 연구진은 MXene을 사용하여 실리콘 양극을 활성화하여 사이클링 중 큰 부피 변화를 방지합니다.

Drexel University와 아일랜드 Trinity College의 연구원들은 2차원 티타늄 카바이드 또는 탄질화물 나노시트(MXenes)가 다른 첨가제 없이 간단하고 확장 가능한 슬러리 주조 기술로 생산된 실리콘 전극용 전도성 바인더로 사용될 수 있음을 보여주었습니다. . 나노시트는 연속적인 금속 네트워크를 형성하고 빠른 전하 수송을 가능하게 하며 두꺼운 전극(최대 450μm)에 우수한 기계적 강화를 제공합니다.

결과적으로 그들은 Nature Communications의 공개 논문에서 매우 높은 면적 용량의 양극(최대 23.3mAh cm−2)을 입증했다고 보고했습니다.

전통적으로 전극 첨가제는 전도성 물질(예: 카본 블랙, CB)과 고분자 결합제를 기반으로 한 이중 성분으로 만들어졌습니다. 전자는 전극 전체에 걸쳐 전하 수송을 보장하는 반면, 후자는 사이클링 중에 활성 물질과 CB를 기계적으로 함께 유지합니다. 이러한 전통적인 전극 첨가제는 리튬 이온 배터리 기술에 널리 적용되었지만 고용량 전극, 특히 큰 부피 변화를 나타내는 전극에서는 제대로 작동하지 않습니다. 이는 폴리머 바인더가 리튬화/탈리튬화 중에 유발된 응력을 견딜 만큼 기계적으로 견고하지 않아 전도 네트워크가 심각하게 중단되기 때문입니다. 이로 인해 용량이 급격히 감소하고 수명이 단축됩니다.

이 문제는 전극의 큰 부피 변화를 수용하기 위해 전도성 바인더를 사용함으로써 해결될 수 있습니다. … 여기서 우리는 추가 폴리머나 CB 없이 높은 M/ASi/MXene 양극을 제조하기 위해 MXene 나노시트를 새로운 종류의 전도성 바인더로 사용함으로써 위에 설명된 목표를 동시에 달성할 수 있음을 보여줍니다.

슬러리 주조 과정에서 MXene 재료 시트는 실리콘 입자와 결합하여 리튬 이온을 보다 규칙적으로 수용할 수 있는 네트워크를 형성하여 실리콘 양극이 팽창하거나 파손되는 것을 방지합니다. 출처: 드렉셀대학교

MXene으로 실리콘을 강화하면 리튬 이온 배터리의 수명을 5배까지 연장할 수 있습니다. 2차원 MXene 소재는 충전 중에 실리콘 양극이 한계점까지 팽창하는 것을 방지합니다.

실리콘 양극의 부피 팽창 문제에 대한 대부분의 솔루션은 탄소 재료와 폴리머 바인더를 추가하여 실리콘을 포함하는 프레임워크를 만드는 것과 관련이 있습니다. Drexel 공과대학의 저명한 대학 박사이자 바흐 교수이자 재료 과학 및 공학과의 AJ Drexel Nanomaterials Institute 소장이자 연구의 공동 저자인 Yury Gogotsi에 따르면 이를 수행하는 과정은 복잡합니다. 탄소는 배터리의 전하 저장에 거의 기여하지 않습니다.

대조적으로, Drexel과 Trinity 그룹의 방법은 실리콘 분말을 MXene 용액에 혼합하여 하이브리드 실리콘-MXene 양극을 생성합니다. MXene 나노시트는 실리콘 입자를 감싸면서 무작위로 분포하고 연속적인 네트워크를 형성하여 전도성 첨가제이자 바인더 역할을 동시에 수행합니다. 이온이 도착할 때 이온에 순서를 부여하고 양극이 팽창하는 것을 방지하는 것도 MXene 프레임워크입니다.

MXene은 실리콘이 배터리에서 잠재력을 발휘하도록 돕는 열쇠입니다. MXene은 2차원 물질이기 때문에 양극에 이온을 위한 공간이 더 많고 이온이 더 빠르게 이동할 수 있어 전극의 용량과 전도성이 모두 향상됩니다. 또한 기계적 강도가 뛰어나므로 실리콘-MXene 양극은 최대 450미크론 두께까지 내구성이 매우 뛰어납니다.

2011년 Drexel에서 처음 발견된 MXene은 MAX 상이라고 불리는 층상 세라믹 재료를 화학적으로 에칭하여 화학적으로 관련된 층 세트를 제거하고 2차원 플레이크 스택을 남기는 방식으로 만들어집니다. 연구원들은 현재까지 30가지 이상의 MXene 유형을 생산했으며 각각은 약간 다른 특성을 가지고 있습니다. 그룹은 종이에 대해 테스트된 실리콘-MXene 양극을 만들기 위해 티타늄 카바이드와 티타늄 탄질화물 중 두 개를 선택했습니다. 그들은 또한 그래핀으로 감싼 실리콘 나노입자로 만든 배터리 양극을 테스트했습니다.