Drexel, i ricercatori del Trinity utilizzano MXene per consentire agli anodi di silicio di evitare grandi variazioni di volume durante il ciclo

I ricercatori della Drexel University e del Trinity College in Irlanda hanno dimostrato che i nanofogli bidimensionali di carburo di titanio o carbonitruro – MXenes – possono essere utilizzati come legante conduttivo per elettrodi di silicio prodotti mediante una tecnica di colata in sospensione semplice e scalabile senza la necessità di altri additivi . I nanofogli formano una rete metallica continua, consentono un rapido trasporto della carica e forniscono un buon rinforzo meccanico per l'elettrodo spesso (fino a 450 μm).

Di conseguenza, riferiscono in un documento ad accesso libero su Nature Communications, hanno dimostrato anodi con capacità areale molto elevata (fino a 23,3 mAh cm−2).

Tradizionalmente, gli additivi per elettrodi sono costituiti da due componenti basati su un agente conduttivo (ad esempio nerofumo, CB) e un legante polimerico. Mentre il primo garantisce il trasporto della carica attraverso l’elettrodo, il secondo tiene insieme meccanicamente i materiali attivi e il CB durante il ciclo. Sebbene questi tradizionali additivi per elettrodi siano stati ampiamente applicati nelle tecnologie delle batterie agli ioni di litio, non riescono a fornire buone prestazioni negli elettrodi ad alta capacità, in particolare quelli che mostrano grandi variazioni di volume. Questo perché il legante polimerico non è meccanicamente abbastanza robusto da resistere allo stress indotto durante la litiazione/delitiazione, portando a gravi interruzioni delle reti conduttrici. Ciò si traduce in una rapida diminuzione della capacità e una durata ridotta.

Questo problema può essere risolto impiegando un legante conduttivo per accogliere la grande variazione di volume degli elettrodi. … Qui mostriamo che gli obiettivi sopra delineati possono essere raggiunti simultaneamente utilizzando i nanofogli di MXene come una nuova classe di legante conduttivo per fabbricare anodi ad alto contenuto di M/ASi/MXene senza alcun polimero o CB aggiuntivo.

Durante il processo di colata in sospensione, i fogli di materiale MXene si combinano con le particelle di silicio per formare una rete che consente una ricezione più ordinata degli ioni di litio, impedendo all'anodo di silicio di espandersi e rompersi. Fonte: Università di Drexel

Fortificare il silicio con MXene potrebbe prolungare la durata delle batterie agli ioni di litio fino a cinque volte; il materiale bidimensionale MXene impedisce all'anodo di silicio di espandersi fino al punto di rottura durante la ricarica.

La maggior parte delle soluzioni al problema dell’espansione volumetrica con gli anodi di silicio hanno comportato l’aggiunta di materiali di carbonio e leganti polimerici per creare una struttura per contenere il silicio. Il processo per farlo, secondo Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e Bach Professor presso il Drexel's College of Engineering e direttore dell'AJ Drexel Nanomaterials Institute presso il Dipartimento di Scienza e ingegneria dei materiali, e coautore della ricerca, è complesso e il carbonio contribuisce poco all'accumulo di carica da parte della batteria.

Al contrario, il metodo del gruppo Drexel e Trinity mescola polvere di silicio in una soluzione MXene per creare un anodo ibrido silicio-MXene. I nanofogli di MXene si distribuiscono in modo casuale e formano una rete continua mentre avvolgono le particelle di silicio, agendo così come additivo conduttivo e legante allo stesso tempo. È la struttura MXene che impone anche l'ordine agli ioni quando arrivano e impedisce l'espansione dell'anodo.

Gli MXene sono la chiave per aiutare il silicio a raggiungere il suo potenziale nelle batterie. Poiché gli MXeni sono materiali bidimensionali, c’è più spazio per gli ioni nell’anodo e possono spostarsi più rapidamente al suo interno, migliorando così sia la capacità che la conduttività dell’elettrodo. Hanno anche un'eccellente resistenza meccanica, quindi gli anodi di silicio-MXene sono anche abbastanza durevoli fino a 450 micron di spessore.

Gli MXeni, scoperti per la prima volta a Drexel nel 2011, sono realizzati incidendo chimicamente un materiale ceramico stratificato chiamato fase MAX, per rimuovere una serie di strati chimicamente correlati, lasciando una pila di scaglie bidimensionali. Finora i ricercatori hanno prodotto più di 30 tipi di MXene, ciascuno con un insieme di proprietà leggermente diverse. Il gruppo ne ha selezionati due per realizzare gli anodi di silicio-MXene testati per la carta: carburo di titanio e carbonitruro di titanio. Hanno anche testato gli anodi delle batterie realizzati con nanoparticelle di silicio avvolte in grafene.