Новейшие литий-ионные батареи, начинающие появляться на рынке, смогут увеличить время автономной работы гаджетов и пробег электромобилей на 40%. Такой прогресс достигнут благодаря замене графитовых анодов на кремниевые.

Однако исследователи из Дрексельского университета (штат Пенсильвания) и ирландского Тринити Колледжа считают, что потенциальные возможности кремния можно раскрыть гораздо лучше, если использовать его в сочетании с двумерными материалами MXene, полученными в Дрекселе восемь лет назад химическим травлением многослойной керамики.

Теоретически, один атом кремния способен удерживать до четырёх ионов лития, тогда как в графите для связывания одного атома лития требуется шесть атомов углерода. Однако поглощение лития в кремнии сопровождается значительным, до 300%, увеличением объёма анода, что приводит к его механическому разрушению.

Большинство коммерческих решений этой проблемы предполагают использование углеродных материалов и полимерных наполнителей для создания в аноде структуры, стабилизирующей кремний. Профессор Дрексельского Инженерного Колледжа, Юрий Гогоци (Yury Gogotsi), считает такие электроды очень трудоемкими в изготовлении, а кроме того, разбавление кремния углеродом снижает эффективную ёмкость.

Группа Гогоцкого в статье для Nature Communications предложила альтернативный подход, который заключается в смешивании кремниевого порошка с раствором MXene. Нанофрагменты 2D-материала равномерно распределяются и после выпаривания растворителя оборачиваются вокруг частиц кремния. Они действуют одновременно как проводящая добавка, улучшающая электропроводность в 100–1000 раз, и как высокопрочная пространственная структура, препятствующая расширению анода.

По заверениям авторов, такая методика позволит добиться пятикратного увеличения времени работы литий-ионных батарей по сравнению с сегодняшними кремниевыми анодами без MXene.

Получают аноды MXene литьем из суспензии. Эта техника легко масштабируется для массового производства и позволяет изготавливать электроды любых форм и размеров — для батарей, питающих практически каждое из окружающих нас устройств.