Drexel, pesquisadores da Trinity usam MXene para permitir que ânodos de silício evitem grandes mudanças de volume durante o ciclo

Pesquisadores da Drexel University e do Trinity College, na Irlanda, mostraram que nanofolhas bidimensionais de carboneto de titânio ou carbonitreto - MXenes - podem ser usadas como um aglutinante condutor para eletrodos de silício produzidos por uma técnica de fundição em pasta simples e escalável sem a necessidade de quaisquer outros aditivos . As nanofolhas formam uma rede metálica contínua, permitem transporte rápido de carga e fornecem bom reforço mecânico para o eletrodo espesso (até 450 μm).

Consequentemente, eles relatam em um artigo de acesso aberto na Nature Communications, que demonstraram ânodos de capacidade de área muito alta (até 23,3 mAh cm-2).

Tradicionalmente, os aditivos de eletrodo são feitos de componentes duplos baseados em um agente condutor (ou seja, negro de fumo, CB) e um aglutinante polimérico. Enquanto o primeiro garante o transporte de carga ao longo do eletrodo, o segundo mantém mecanicamente os materiais ativos e o CB juntos durante a ciclagem. Embora esses aditivos de eletrodos tradicionais tenham sido amplamente aplicados em tecnologias de baterias de íon-lítio, eles não funcionam bem em eletrodos de alta capacidade, especialmente aqueles que exibem grandes mudanças de volume. Isso ocorre porque o ligante polimérico não é mecanicamente robusto o suficiente para suportar o estresse induzido durante a litiação/delitiação, levando a uma grave interrupção das redes de condução. Isso resulta em um rápido desbotamento da capacidade e vida útil ruim.

Este problema pode ser resolvido empregando um aglutinante condutivo para acomodar a grande mudança de volume dos eletrodos. … Aqui, mostramos que os objetivos descritos acima podem ser alcançados simultaneamente usando nanofolhas de MXene como uma nova classe de aglutinante condutivo para fabricar ânodos de alto M/ASi/MXene sem qualquer polímero adicional ou CB.

Durante o processo de slurry-casting, folhas de material MXene se combinam com partículas de silício para formar uma rede que permite uma recepção mais ordenada de íons de lítio, o que evita que o ânodo de silício se expanda e quebre. Fonte: Universidade Drexel

Fortificar o silício com MXene pode prolongar a vida útil das baterias de íons de lítio em até cinco vezes; o material MXene bidimensional evita que o ânodo de silício se expanda até seu ponto de ruptura durante o carregamento.

A maioria das soluções para o problema de expansão volumétrica com ânodos de silício envolveu a adição de materiais de carbono e aglutinantes de polímero para criar uma estrutura para conter o silício. O processo para fazê-lo, de acordo com Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e Bach Professor na Drexel's College of Engineering e diretor do AJ Drexel Nanomaterials Institute no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e co-autor da pesquisa, é complexo e o carbono contribui pouco para o armazenamento de carga pela bateria.

Por outro lado, o método do grupo Drexel e Trinity mistura pó de silício em uma solução MXene para criar um ânodo híbrido de silício-MXene. As nanofolhas MXene distribuem-se aleatoriamente e formam uma rede contínua enquanto envolvem as partículas de silício, agindo assim como aditivo condutor e aglutinante ao mesmo tempo. É a estrutura MXene que também impõe ordem aos íons à medida que eles chegam e impede que o ânodo se expanda.

Os MXenes são a chave para ajudar o silício a atingir seu potencial nas baterias. Como os MXenes são materiais bidimensionais, há mais espaço para os íons no ânodo e eles podem se mover mais rapidamente para ele, melhorando assim a capacidade e a condutividade do eletrodo. Eles também têm excelente resistência mecânica, de modo que os ânodos de silício-MXene também são bastante duráveis ​​até 450 mícrons de espessura.

Os MXenes, que foram descobertos pela primeira vez na Drexel em 2011, são feitos por corrosão química de um material cerâmico em camadas chamado fase MAX, para remover um conjunto de camadas quimicamente relacionadas, deixando uma pilha de flocos bidimensionais. Os pesquisadores produziram mais de 30 tipos de MXene até o momento, cada um com um conjunto ligeiramente diferente de propriedades. O grupo selecionou dois deles para fazer os ânodos de silício-MXene testados para o papel: carboneto de titânio e carbonitreto de titânio. Eles também testaram ânodos de bateria feitos de nanopartículas de silício envoltas em grafeno.