Si2BN также используется в качестве анода для литий-ионных или натриево-ионных аккумуляторов.

Литий-ионные батареи играют все более важную роль в хранении энергии. Такие компании, как Tesla, видят в нем решение для хранения энергии для электромобилей и решение периодически возникающих проблем, связанных с возобновляемой энергией. Их огромная плотность энергии и способность выдерживать несколько циклов зарядки сделали их почти повсеместными на мобильных устройствах, но они столкнулись с проблемами.

Натрий-ионные батареи стали недавними конкурентами; Натрия больше, чем лития, и эти батареи имеют лучшие показатели безопасности и меньше возгораний. Двумерные материалы с максимальным отношением площади поверхности к объему, высокой проводимостью и высокой ионной диффузией могут заменить громоздкие материалы, такие как графит, поскольку эти батареи имеют более высокую плотность энергии и более универсальны.

По мере того, как область синтеза и описания 2D-материалов становится все более продвинутой, эти, казалось бы, волшебные вещества проявляют увлекательные и часто очень полезные свойства. Теоретики активно изучают вычислительный потенциал этих материалов из-за широкого использования новых методов ламинирования атомов на подложки, таких как зачистка для синтеза графена в первую очередь, осаждение атомных слоев или эпитаксия молекулярным пучком. Такие расчеты были выполнены в 2015 году с возможностью синтеза графеноподобного слоя Si2BN с двумя атомами кремния, связанными с атомами бора и азота.

Другие аналоги графена, такие как германий, демонстрируют коробление в решетчатых структурах, но Si2BN имеет уплощенные гексагональные структуры, которые позволяют формировать нанотрубки. Ожидается, что материал будет устойчивым в различных физических условиях - возможно, при температурах до 800K или выше.

Этот однослойный Si2BN был описан с рядом теоретических характеристик, которые представляют значительный интерес для индустрии возобновляемых источников энергии. Сначала думали, что это может быть полезным средством хранения водорода. Многие сторонники возобновляемых источников энергии хотят хранить непостоянную энергию ветряных турбин и солнечных панелей в виде водорода, который можно производить путем электролиза в периоды пиковой нагрузки.

Одним из факторов, препятствующих развитию «водородной экономии», является сложность хранения водорода, который не является особо энергоемким и газообразным взрывчатым веществом; Поэтому исследовательские группы, включая Министерство энергетики США, пытаются найти материалы, которые могут связываться с атомами водорода. Присутствие кремния на поверхности слоя вселяло надежды, что он достаточно реактивен, чтобы хранить большое количество водорода, но также вызвало еще один положительный эффект. Si2BN - отличный анод для литий-ионных аккумуляторов.

В статье о наноэнергетике 2017 года описывается это свойство. Название статьи - «2d Si2BN: любопытная ситуация с материалом катода батареи большой емкости» - кое-что говорит о необычных свойствах этого материала. Он обладает теоретической способностью поглощать и накапливать ионы лития, которая в пять раз выше, чем у существующих анодных материалов, используемых в настоящее время в батареях. Уже синтезированные 2D-материалы также обычно демонстрируют хорошие адсорбционные свойства, но 2DSi2BN вполне можно комбинировать с другими материалами, такими как силицен, борофен и 2D-черный фосфор, а также с другими материалами, такими как графит, диоксид титана и диселенид молибдена.

Результаты показывают, что ключ кроется в связи Si-Si и уникальном отклике структуры на адсорбированные ионы. Попадая в материал, ионы лития / натрия вызывают изгиб конструкции. Это придаст общей структуре более высокую пропускную способность, чем другие 2D-материалы. Это коробление, которое наблюдается в других 2D-материалах, таких как германий, проявляется как фазовый переход, когда на поверхности адсорбируется более одного иона. Согласно этим расчетам, фазовый переход должен быть полностью обратимым и способствовать диффузии ионов от анода.

Ожидается, что Si2BN будет обладать еще большими электронными свойствами, что сделает двумерные материалы источником значительного ажиотажа в области материаловедения. Он мощный, гибкий, имеет регулируемую ширину запрещенной зоны, а также высокую проводимость и высокую проводимость. Тот факт, что Si2BN имеет высокую подвижность электронов, критически важен для его использования в качестве анода. Это сочетается с тем фактом, что ионы сильно рассеиваются, что позволяет батареям быстро заряжаться и разряжаться. Создание быстро перезаряжаемых батарей, которые могут надежно хранить большие объемы энергии, важно для хранения и резервного копирования сети, а также для приложений в электромобилях.

Si2BN никогда не синтезировался в больших количествах, хотя несколько разных команд в настоящее время работают над созданием этого 2D-материала. Эта область быстро развивается: несколько лет назад бор флюорен считался перспективным анодным материалом. Почти сразу после успешного синтеза (2015 г.) в отчете впервые предсказывается, что Si2BN может превышать емкость своего анода. Теоретические предсказания этих электронных свойств позволяют материаловедам исследовать пространство возможных физических параметров. Следующим шагом будет создание прототипа батареи для проверки характеристик полевого анода, а затем доработка батареи, чтобы приблизить ее к теоретическому максимуму хранения ионов. Поскольку наша потребность в большей емкости и более гибких системах хранения энергии возрастает, этот прорыв может иметь решающее значение для дальнейшего технологического совершенствования.

Страница содержит содержимое машинного перевода.