MXene集流體可以減小鋰離子電池的尺寸並提高可回收性

絕大多數 消費電子產品使用鋰離子電池，每一代這些設備都變得更小、更輕、電池壽命更長，以滿足不斷增長的消費者需求。每一次新的迭代也將為設備供電的電池推向其尺寸、重量和性能的極限。

研究人員不斷測試新的方法和材料來製造輕質、高性能的組件。最新的競爭者是 MXene，這是一種由德雷克塞爾大學的研究人員發現的金屬導電二維納米材料，最近顯示出作為集電器的潛力，集電器是電池中將電流引導至電極的部分。

Drexel 研究人員最近發表的一篇論文報告稱，由 MXene 薄膜製成的集流體可以減輕電池的重量和厚度，同時增加其可用容量。

發表於雜誌 細胞報告物理科學該論文報導稱，MXene 集流體的工作原理與現代鋰離子電池中使用的銅箔類似，但它們的厚度要薄三到四倍，重量要輕約 10 倍。

用它們製造電池組件將減少非活性材料的整體重量，允許在不增加電池重量的情況下使用更多的儲能材料，從而提高電池容量。

研究人員還證明，MXene 集流體可以輕鬆回收用於其他電池，這是減少電池浪費和節省有限材料資源的重要一步。

集電器在電池運行中發揮著關鍵作用，因為它們引導電池內的電子流進出電極，從而將化學能轉化為為電子設備供電的電流。它們也是電池重量的主要貢獻者，幾乎佔電池總重量的 15%。

“電池技術的最新進展集中在增加容量的同時減輕電池重量，”領導這項研究的德雷克塞爾工程學院榮譽大學教授、巴赫教授 Yuri Gogotsi 博士說。

“但該領域也廣泛認識到尋找現有電池組件的可回收替代品的重要性，以確保其可持續生產。我們的研究結果表明，MXene 材料可能是未來電池的有力候選者。”

MXenes 已經過測試 數十個應用程序-包括 多個儲能領域——自從十多年前在德雷克塞爾開業以來。它們適合用作集電器，因為它們具有出色的導電性、優異的柔韌性和高機械強度。 MXene 在酸性和腐蝕性電解質中也能保持電化學穩定性，並且具有水分散性，因此更易於加工。

“這是一個令人興奮的發現，因為 MXene 與各種電極材料兼容，因此它們有潛力改進下一代電池，而不需要對設計進行重大結構改變，”法國圖盧茲大學該研究的合著者 Patrice Simon 教授說。

最終組件測試驗證了 MXene 受電弓的循環穩定性和可重複使用性。經過八週的連續充放電後，MXene-石墨電極保持了良好的附著力；石墨活性材料保持均勻分佈，沒有與 MXene 薄膜分離。

MXene 集流體還保留了其層狀結構，沒有表現出任何退化。採用團隊開發的簡單且環保的回收工藝，將電極拆卸並使用回收的集流體材料重建。電化學測試證實其特性保持不變。

“隨著電池材料變得越來越稀缺，可持續性和循環經濟變得更加重要，有必要開發可以重複使用的組件，”Gogotsi 實驗室的博士後研究員、該研究的合著者張遠博士說。

“由於其出色的電化學耐受性，MXene 可以回收利用而不會失去其卓越的性能。”

這項調查由 Gogotsi 實驗室未來的斯倫貝謝博士後研究員 Sohna Dieng 領導，她在博士研究中為這項工作做出了貢獻。她計劃繼續研究 MXene 作為電池中的導電添加劑和其他無源成分，通過防止枝晶生長來提高性能和安全性。

Gogotsi 表示：“我們預計，採用 MXene 組件的電池有一天將用於可穿戴和便攜式微電子產品，其中尺寸和重量絕對至關重要，而且所需材料的數量極少。”

“另一個潛在的應用是在低重量很重要的系統中，例如無人機或其他飛機。”