锂离子电池经过超过十年的研究与改良后，未来有望迈向新的里程碑，近期欧洲与美国联合团队已运用名为 MXene 的特殊材料强化硅，提高锂电池容量之余，阳极导电性更是提升 100-1,000 倍。
硅是备受看好的锂电池阳极材料，无论是在吸收锂离子的效果还是在地壳上的含量，都比现在电池采用的石墨材料还要好，假如阳极 100% 使用硅材料，电池容量理论上可以增加 70%。
然而该材料在锂电池充电时会膨胀 300%，放电时又会恢复正常大小，这让硅材料的耐用性大打折扣，基本上只能用一次，因此现在的电池仍以石墨、碳为主。
目前许多科学将都想要解决这项挑战，像是结合奈米技术，把硅制成奈米级线状或管状晶体或粒子，希望能让硅能承受更大的体积变化，或是借此解决硅膨胀的问题，先前加拿大也以 3、5、8 和 15 nm 四种不同直径长度的硅奈米粒子进行实验，观察不同大小的硅奈米粒子在充放电中如何变化，最终发现硅奈米粒子愈小愈好。
▲ MXene 溶液（Source：卓克索大学）
而此次美国卓克索大学与爱尔兰都柏林大学三一学院跨国跨校合作，将特殊材料 MXene 溶液与硅奈米粒子混合，制作成神奇的硅-MXene 阳极。其中 MXene 材料是卓克索大学 2011 年研发出的2D 无机化合物，目前已研发出逾30种 MXenes 材料，不同配方有不同的功用，而研究团队则先选用碳化钛、碳氮化钛 MXene 材料与石墨烯来跟硅合作。
研究指出，MXene 能当作另类的导电添加剂和黏合剂，制成锂电池阳极之后，MXene 会形成层状且随机分布，硅奈米粒子则穿插其中，可控制离子进入阳极的顺序并抑制硅奈米粒子的膨胀度。
▲ MXene 材料与硅奈米粒子的排列状况（Source：卓克索大学）
卓克所大学材料科学与工程教授 Yury Gogotsi 表示，由于 MXene 是 2D 材料，锂离子可以更快地进入锂阳极，进而提高电极的容量和导电性，且该材料也具有优异的机械强度（mechanical strength），耐久性相当高。
实验结果也相当符合科学家的期待，不管是添入 MXene 还是石墨烯，储存容量都比原有的石墨阳极还要好，导电性也比过去高 100-1,000 倍。论文主要作者三一学院研究员 Chuanfang Zhang 表示，新型阳极也可以用泥浆浇铸（casting）来制造，有利于扩大生产与制成不同大小的电池。
且该研究也认为，可用的 MXene 材料高达 30 多种，未来团队还可以用其余材料来打造新电极，继续测试硅-MXene 的发展空间。目前研究已发表在《Nature Communications》。
- Expanding the Use of Silicon in Batteries, By Preventing Electrodes From Expanding
（首图为示意图，来源：pixabay）
延伸阅读：
- 硅奈米粒子可助锂电池一臂之力，电池容量有望增 10 倍
- 硅阳极有助提升电池容量 20%，新型锂电池挑战今年量产
- 挪威团队开发锂电池硅合金负极材料 SiliconX，电容量提升 3～5 倍
