Si2BN wird auch als Anode für Lithiumionen- oder Natriumionenbatterien verwendet

Lithium-Ionen-Batterien spielen bei der Energiespeicherung eine immer wichtigere Rolle. Unternehmen wie Tesla sehen darin eine Energiespeicherlösung für Elektroautos und eine Lösung für zeitweise auftretende Probleme im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien. Ihre enorme Energiedichte und Kapazität für mehrere Ladezyklen haben sie auf Mobilgeräten fast allgegenwärtig gemacht - aber sie sind auf Probleme gestoßen.

Natriumionenbatterien sind zu jüngsten Konkurrenten geworden; Natrium ist häufiger als Lithium, und diese Batterien haben bessere Sicherheitsdaten und weniger Brände. Zweidimensionale Materialien mit einem maximalen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, hoher Leitfähigkeit und hoher Ionendiffusionsfähigkeit können sperrige Materialien wie Graphit ersetzen, da diese Batterien eine höhere Energiedichte aufweisen und vielseitiger sind.

Mit zunehmender Weiterentwicklung des Gebiets der Synthese und Charakterisierung von 2D-Materialien weisen diese scheinbar magischen Substanzen faszinierende und oft sehr nützliche Eigenschaften auf. Theoretiker haben das Rechenpotential dieser Materialien intensiv untersucht, da häufig neue Methoden zum Laminieren von Atomen auf Substrate eingesetzt werden, z. B. Strippen, um zuerst Graphen zu synthetisieren, Atomabscheidung oder Molekularstrahlepitaxie. Solche Berechnungen wurden 2015 mit dem Potenzial durchgeführt, die graphenartige Schicht von Si2BN mit zwei an Bor- und Stickstoffatome gebundenen Siliziumatomen zu synthetisieren.

Andere Graphenanaloga wie Germanium zeigen ein Knicken in Gitterstrukturen, aber Si2BN hat abgeflachte hexagonale Strukturen, die die Bildung von Nanoröhren ermöglichen. Es wird erwartet, dass das Material unter verschiedenen physikalischen Bedingungen stabil ist - möglicherweise bis zu 800 K oder höheren Temperaturen.

Dieses einschichtige Si2BN wurde mit einer Reihe theoretischer Eigenschaften beschrieben, die für die Industrie für erneuerbare Energien von erheblichem Interesse sind. Zunächst wurde angenommen, dass dies ein nützliches Mittel zur Wasserstoffspeicherung sein könnte. Viele Befürworter erneuerbarer Energien möchten intermittierende Energie aus Windkraftanlagen und Sonnenkollektoren als Wasserstoff speichern, der durch Elektrolyse während Spitzenversorgungsperioden erzeugt werden kann.

Ein Faktor, der den Aufschwung der "Wasserstoffwirtschaft" verhindert, ist die Schwierigkeit, Wasserstoff zu speichern, der kein besonders energiedichter und gasartiger Sprengstoff ist. Daher versuchen Forschungsteams, einschließlich des US-Energieministeriums, Materialien zu finden, die sich mit Wasserstoffatomen verbinden können. Das Vorhandensein von Silizium auf der Oberfläche der Schicht weckte die Hoffnung, dass es reaktiv genug war, um große Mengen Wasserstoff zu speichern - aber es verursachte auch einen weiteren positiven Effekt. Si2BN ist eine hervorragende Anode für Lithium-Ionen-Batterien.

Ein Papier aus dem Jahr 2017 über Nanoenergie beschrieb diese Eigenschaft. Der Titel des Papiers - "2d Si2BN: eine merkwürdige Situation mit einem Batteriekathodenmaterial mit hoher Kapazität" - sagt etwas über die ungewöhnlichen Eigenschaften dieses Materials aus. Es hat die theoretische Fähigkeit, Lithiumionen zu absorbieren und zu speichern, was fünfmal höher ist als die vorhandenen Anodenmaterialien, die derzeit in Batterien verwendet werden. Bereits synthetisierte 2D-Materialien zeigen im Allgemeinen auch gute Adsorptionseigenschaften, aber 2DSi2BN könnte gut mit anderen Materialien wie Silicen, Borophen und 2D-Schwarzphosphor sowie anderen Materialien wie Graphit, Titandioxid und Molybdändiselenid kombiniert werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Schlüssel in der Si-Si-Bindung und der einzigartigen Reaktion der Struktur auf die adsorbierten Ionen liegt. Wenn Lithium / Natrium-Ionen in das Material eintreten, bewirken sie, dass sich die Struktur verbiegt. Dadurch erhält die Gesamtstruktur eine höhere Kapazität als andere 2D-Materialien. Dieses Knicken, das in anderen 2D-Materialien wie Germanium zu sehen ist, manifestiert sich als Phasenübergang, wenn mehr als ein Ion an der Oberfläche adsorbiert wird. Nach diesen Berechnungen sollte der Phasenübergang vollständig reversibel sein und die Diffusion von Ionen aus der Anode erleichtern.

Es wird auch erwartet, dass Si2BN noch mehr elektronische Eigenschaften aufweist, was 2D-Materialien zu einer Quelle erheblicher Aufregung auf dem Gebiet der Materialwissenschaften macht. Es ist leistungsstark, flexibel, hat eine einstellbare Bandlücke und eine hohe Leitfähigkeit und Leitfähigkeit. Die Tatsache, dass Si2BN eine hohe Elektronenmobilität aufweist, ist entscheidend für seine Nützlichkeit als Anode. Dies ist mit der Tatsache verbunden, dass Ionen stark diffundieren, damit sich Batterien schnell laden und entladen können. Die Schaffung schnell wiederaufladbarer Batterien, die große Energiemengen zuverlässig speichern können, ist wichtig für die Speicherung und Sicherung des Stromnetzes sowie für Anwendungen in Elektrofahrzeugen.

Si2BN wurde noch nie in großen Mengen synthetisiert, obwohl derzeit verschiedene Teams an der Erstellung dieses 2D-Materials arbeiten. Das Feld schreitet rasant voran: Vor einigen Jahren galt Borfluoren als vielversprechendes Anodenmaterial. Fast unmittelbar nach der erfolgreichen Synthese (2015) prognostiziert der Bericht erstmals, dass Si2BN die Kapazität seiner Anode überschreiten könnte. Theoretische Vorhersagen dieser elektronischen Eigenschaften ermöglichen es Materialwissenschaftlern, den physikalisch möglichen Parameterraum zu untersuchen. Der nächste Schritt besteht darin, einen Prototyp einer Batterie zu bauen, um die Anodenleistung des Feldes zu testen, und dann die Batterie zu verfeinern, um sie näher an das theoretische Maximum der Ionenspeicherung zu bringen. Da unsere Nachfrage nach größeren Kapazitäten und flexibleren Energiespeichersystemen steigt, könnte dieser Durchbruch entscheidend für die weitere technologische Verbesserung sein.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.