导电粘土为储能创造更多可能性

在寻找具有表面积和导电性以制造性能更好的电池电极的越来越薄的材料的激烈竞争中，一块粘土可能就是答案。

德雷克塞尔大学工程学院的科学家发明了粘土，它具有高导电性，并且可以轻松模制成各种形状和尺寸。它被设计为替代目前用于制造锂离子电池和超级电容器材料的相当复杂和昂贵的加工，而不是类似于擀饼干面团。

在即将出版的《自然》杂志中，研究人员建议存储设备电极的生产方式发生重大转变。这种粘土的导电性已经证明与金属相当，只需简单地滚压或压制，就可以将其变成薄膜，可用于电极。该论文的合著者 Yury Gogotsi 博士解释道：

由二维碳化钛颗粒组成的粘土的物理特性及其性能特征似乎使其成为用于电池和超级电容器等储能设备的非常可行的候选者。与我们过去用于生产 MXene 电极的成分相比，制造粘土的过程还使用了更安全、更容易获得的成分。

MXene 的发明者之一 Michel Barsoum 博士表示，这种材料的主要优势在于其形状：

任何玩过泥巴的人都可以证明，粘土是亲水性的——喜水。粘土也是分层的，当水合时，水分子在各层之间滑动，使其具有可塑性，从而可以很容易地塑造成复杂的形状。同样的情况也发生在这里；当我们向 MXene 添加水时，水会渗透到各层之间，赋予所得材料可塑性和可成型性。

另一方面，石墨烯——一种被广泛研究用于电极的材料——具有导电性，但不喜欢水——它是疏水性的。我们发现的是一种也喜欢水的导电二维层状材料。事实上，我们现在可以快速有效地卷制电极，而不必使用粘合剂和/或导电添加剂，这使得这种材料从大规模生产的角度来看非常有吸引力。

这一发现是在德雷塞尔大学材料科学与工程系的 Barsoum 和 Gogotsi 指导下的博士生 Michael Ghidiu 正在测试一种制造 MXene 的新方法时发现的，MXene 是德雷塞尔大学发明的二维材料，属于领先的候选材料之一。用于下一代电池和超级电容器。

Ghidiu 使用氟化物盐和盐酸代替氢氟酸，这是 Drexel 首创的原始化学蚀刻工艺，从称为 MAX 相的钛基层状陶瓷材料中蚀刻出铝，Barsoum 也在 Drexel 发现了这种材料。

这两种成分在化学课上家喻户晓，而且比氢氟酸处理起来要安全得多，它们将 MAX 相还原为一堆黑色颗粒。为了停止反应并去除任何残留的化学物质，吉迪乌用水清洗了材料。

然而，他并没有找到熟悉的层状 MXene 颗粒，而是发现蚀刻的沉积物吸收了水分，形成了粘土状材料。

“我们希望在新工艺中找到一种略有不同的材料，但没有像这样的，”吉迪乌说。我们只是希望有一种更安全、更便宜的方法来制造 MXene，但更好的东西却出现了。”

该团队对粘土进行的首批测试之一是看看是否可以将其压成薄层，同时保留其导电性能，毕竟其最初的目标是制作导电薄膜。吉迪乌解释说：

与制造电极材料的两种最常见的做法相比，能够将粘土滚压成薄膜在生产时间、安全性和成本方面形成鲜明对比。用于制造 MXene 的蚀刻和剥离工艺以及造纸等压片、过滤和沉积方法均采用强酸和昂贵、不常见的材料。粘土制作过程更加简单、快捷、安全。

所有这些步骤都可以避免，新的发现大大简化了处理过程。现在，研究人员可以简单地蚀刻 MAX 相，清洗所得材料，并将所得粘土滚压成各种厚度的薄膜，Ghidiu 对简单性进行了扩展：

我想说，除了增加电容之外，新方法最重要的好处是，我们现在可以在大约 15 分钟内制作出准备就绪的电极，而之前从同一起点开始的总过程将是大约一天的时间。

当考虑到生产时，粘土的容易获得的成分也使其更具吸引力。这种新发现的材料肯定会提高锂离子电池和超级电容器的效率和生产时间。