硅負極的膨脹問題是其產業化應用的頭號難題，如今，其正在被科研人員攻克。高工鋰電獲悉，美國德雷克塞爾大學和愛爾蘭三一學院的研究人員表明，二維碳化鈦或碳氮化物納米片-MXenes-可用作硅負極的導電粘合劑，通過簡單，可擴展的漿料澆鑄技術生產，無需任何其他添加劑。納米片形成連續的金屬網絡，實現快速電荷傳輸，并為厚電極（高達450μm）提供良好的機械強度。在NatureCommunications的一篇論文中，上述研發團隊展示了非常高的面積容量負極（高達23.3mAhcm-2）。傳統上，電極添加劑由基于導電劑（即炭黑）和聚合物粘合劑的雙組分制成。雖然前者確保電荷在整個電極中傳輸，但后者在循環期間將活性材料和炭黑機械地保持在一起。雖然這些傳統電極添加劑已廣泛應用于鋰離子電池技術，但它們在高容量電極中表現不佳，特別是那些體積變化大的電極。這是因為聚合物粘合劑在機械上不夠堅固以承受鋰化/脫鋰期間引起的應力，導致導電網絡的嚴重破壞。這導致容量衰減快和壽命差。上述研究者表示，該問題可以通過使用導電粘合劑來適應電極的大體積變化來解決。通過使用MXene納米片作為一種新型導電粘合劑來制造高M/ASi/MXene負極而無需任何額外的聚合物或炭黑，可以同時實現上述目標。在漿料澆鑄過程中，MXene材料片與硅顆粒結合形成網絡，允許更有序地接收鋰離子，這防止硅陽極膨脹和破裂。資料來源：德雷塞爾大學用MXene強化硅可以將鋰離子電池的壽命延長五倍；二維MXene材料防止硅負極在充電期間膨脹到其斷裂點。硅負極的體積膨脹問題的大多數解決方案涉及添加碳材料和聚合物粘合劑以創建包含硅的框架。但實際情況來看，碳對電池的儲存充電貢獻很小。相比之下，Drexel和Trinity集團的方法將硅粉混合到MXene溶液中，形成混合硅-XXene陽極。MXene納米片隨機分布并形成連續的網絡，同時包裹硅顆粒，以此作為導電添加劑和粘合劑。這是MXene框架，當離子到達時也對離子施加順序并阻止負極膨脹。研究人員表示，MXenes是幫助硅實現電池潛力的關鍵。由于MXenes是二維材料，負極中的離子有更多的空間，它們可以更快地移動到其中-從而提高電極的容量和導電性。它們還具有優異的機械強度，因此硅-XMene負極也非常耐用，厚度可達450微米。MXenes是2011年在Drexel首次發現的，它是通過化學蝕刻稱為MAX相的層狀陶瓷材料制成的，以去除一組化學相關層，留下一疊二維薄片。到目前為止，研究人員已經生產了30多種類型的MXene，每種類型的屬性略有不同。該小組選擇其中兩個來制造用于紙張的硅-XMene陽極：碳化鈦和碳氮化鈦。他們還測試了由石墨烯包裹的硅納米顆粒制成的電池陽極。當添加MXene時，所有三種負極樣品顯示出比鋰離子電池中使用的當前石墨或硅-碳負極更高的鋰離子容量和優異的導電性-比傳統硅負極高100至1,000倍。在論文中，研究人員表示，MXene納米片的連續網絡不僅提供足夠的導電性和自由空間以適應體積變化，而且還很好地解決了硅的機械不穩定性。因此，這里展示的粘性MXene油墨和高容量硅的組合提供了一種強大的技術，可以構建具有卓越性能的先進納米結構。同時，Trinity的博士后研究員，研究的主要作者，ChuanfangZhang博士也指出，通過漿料澆鑄生產MXene負極很容易擴展，適用于任何陽極的大規模生產。