MXene: Революция в литий-ионных аккумуляторах

В мире портативной электроники, где каждое новое поколение устройств стремится стать легче, тоньше и мощнее, литий-ионные аккумуляторы достигают пределов своих возможностей. Инженеры и исследователи постоянно ищут новые материалы, способные улучшить характеристики батарей.

Новым перспективным кандидатом стал MXene – двухмерный наноматериал с металлической проводимостью, открытый исследователями из Университета Дрекселя. Недавние исследования показали, что MXene может выступать в роли токосъемника, ключевого компонента аккумулятора, отвечающего за направление электрического тока к электродам.

Согласно публикации в журнале Cell Reports Physical Science, использование токосъемников из тонких пленок MXene позволяет сократить вес и толщину аккумулятора, одновременно увеличивая его емкость. Эти новые компоненты демонстрируют производительность, сравнимую с традиционными медными фольгами, но при этом они в 3-4 раза тоньше и примерно в 10 раз легче.

Применение MXene в производстве аккумуляторных компонентов снизит долю вспомогательных материалов, освобождая место для большего количества энергоемких компонентов без увеличения общего веса. Это напрямую ведет к повышению энергоемкости аккумуляторов.

Кроме того, исследователи подтвердили, что токосъемники из MXene легко поддаются вторичной переработке. Это важный шаг на пути к снижению объемов аккумуляторных отходов и более рациональному использованию ограниченных природных ресурсов.

Токосъемники играют решающую роль в работе аккумулятора, направляя поток электронов между электродами. Именно они преобразуют химическую энергию в электрический ток. При этом они составляют около 15% от общего веса аккумулятора, что делает их перспективной мишенью для оптимизации.

«Современные разработки в области аккумуляторных технологий сосредоточены на увеличении емкости при одновременном снижении веса», — отмечает профессор Юри Гоготси из Университета Дрекселя. «Важным аспектом также является поиск перерабатываемых альтернатив для компонентов аккумуляторов, что необходимо для устойчивого производства. Наши результаты показывают, что MXene может стать отличным решением для аккумуляторов будущего».

С момента своего открытия более десяти лет назад MXene успешно тестировался в различных областях, включая хранение энергии. Его пригодность в качестве токосъемника обусловлена выдающейся электропроводностью, гибкостью и высокой механической прочностью. MXene также демонстрирует электрохимическую стабильность в агрессивных средах и хорошо диспергируется в воде, что упрощает его обработку.

«Это захватывающее открытие, поскольку MXene совместим с широким спектром электродных материалов», — комментирует профессор Патрис Симон из Университета Тулузы. «Это открывает перспективы для улучшения аккумуляторов следующего поколения без необходимости существенных изменений в их конструкции».

Испытания подтвердили стабильность и возможность многократного использования токосъемников из MXene. После восьми недель непрерывных циклов зарядки-разрядки электрод на основе MXene и графита сохранил хорошую адгезию, а графитовый материал равномерно распределился по пленке MXene, не отслаиваясь. Сам токосъемник из MXene также сохранил свою структуру без признаков деградации.

С помощью разработанного исследователями простого и экологичного процесса, электрод был разобран, а использованные материалы токосъемника были повторно задействованы для создания нового. Последующее тестирование показало, что его производительность осталась неизменной.

«По мере того как материалы для аккумуляторов становятся все более дефицитными, а принципы устойчивого развития и циркулярной экономики приобретают все большее значение, разработка перерабатываемых компонентов становится необходимой», — подчеркивает доктор Юань Чжан, постдок в лаборатории Гоготси. «Благодаря своей выдающейся электрохимической долговечности, MXene может быть переработан без существенной потери своих уникальных свойств».

Исследование под руководством Сохны Диенг, докторантки в лаборатории Гоготси, планирует дальнейшее изучение MXene в качестве проводящих добавок и других пассивных компонентов аккумуляторов, способных повысить их производительность и безопасность, например, предотвращая рост дендритов.

«Мы представляем себе аккумуляторы с компонентами из MXene, используемые в носимой и портативной микроэлектронике, где размер и вес критически важны, а количество требуемого материала минимально», — делится Гоготси. «Другим потенциальным применением являются системы, где низкий вес имеет первостепенное значение, например, дроны или другие летательные аппараты».