山東大學Adv. Energy Mater.：低溫還原的策略合成Ti3C2/Si復合負極用于高性能鋰離子電池

【引言】

硅是下一代鋰離子電池最具前景的負極材料之一。然而，硅負極在充放電過程中會發生巨大的體積膨脹與收縮，造成電極粉化，導致容量的迅速衰減。制備納米尺度的硅顆粒是一種改善鋰離子電池硅負極性能的有效方法。碳納米材料經常作為硅納米顆粒載體，不僅阻止硅納米顆粒聚集和粉碎，而且顯著增加電極電導率。但是，碳材料（如石墨烯等）鋰離子擴散能力較弱，并且碳材料多為電化學惰性材料，所以不利于獲得較高的能量密度和功率密度。?二維Ti₃C₂ MXene具有較高的離子傳輸效率和良好的電化學活性，能很好地替代石墨烯，負載納米硅制備高比能負極材料。為了充分利用硅和MXene的優點，以下幾點需要注意：1.硅或者它的前驅體應該可控合成來獲得單分散態；2.硅和MXene之間應形成化學鍵來加快界面電荷轉移速率；3.合成條件應溫和，防止Ti₃C₂ MXene的二維超薄層狀結構受損。采用高效、低溫的方法將硅和MXene均勻地結合很重要和極具挑戰性。

【成果簡介】

山東大學的尹龍衛教授和王成祥（共同通訊作者）等人通過正硅酸乙酯的可控水解和相對溫和的反應條件下的低溫鎂熱還原反應制備了新型的分層多孔結構的Ti₃C₂/Si納米復合材料作為鋰離子電池的負極材料。直徑為40nm左右的硅納米顆粒被固定在Ti₃C₂納米片上。這種負極材料具有高比容量、出色的倍率性能和超長的循環壽命。另外，Ti₃C₂ MXene的贗電容行為對于電池容量非常重要。上述成果于近日發表在Adv. Energy Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.Ti₃C₂/Si納米復合材料的制備的示意圖

圖2.Ti₃C₂/Si納米片的形貌表征

a-d分別為et-Ti₃C₂、in-Ti₃C₂、Ti₃C₂/SiO₂和Ti₃C₂/Si的SEM圖

e,f為Ti₃C₂/Si的TEM圖

g.Ti₃C₂/Si的HRTEM圖

h.Ti₃C₂/Si的SAED圖

i–m.TEM圖和元素分布圖

圖3.詳細的結構和成分的表征

a.XRD圖

b.FTIR圖

c.Si的XPS圖

d.O的XPS圖

圖4.電化學性能和儲鋰性能

a.Ti₃C₂/Si電極的初始CV曲線

b.Ti₃C₂/Si電極的充/放電電壓曲線

c.Ti₃C₂、Ti₃C₂/SiO₂、 Ti₃C₂/Si和純Si電極的比容量

d.Ti₃C₂、Ti₃C₂/SiO₂和Ti₃C₂/Si電極的倍率性能

e.Ti₃C₂/Si電極的循環性能

圖5.電化學行為的動力學分析

a.EIS譜圖

b.低頻區域的 Zre和ω^1/2?間的關系

c.不同掃描速率下的Ti₃C₂/Si電極的CV曲線

d.峰值電流和掃描速率之間的關系

e.電容對儲鋰性能的貢獻

f.不同掃描速率下的電容貢獻比率

【小結】

研究團隊將正硅酸乙酯可控水解和低溫鎂熱還原反應結合起來，制備了Ti₃C₂/Si納米復合材料。這種材料在活性表面積、電荷轉移速率、結構穩定性和儲鋰性能方面都有良好表現。Ti₃C₂?MXene不僅為鋰離子和電子提供快速轉移的通道，而且緩解硅負極的體積膨脹效應。另外，Ti₃C₂?MXene的贗電容行為和大量的表面氧化還原反應點對改善儲鋰性能起到協同作用。Ti₃C₂/Si電極的低溫制備的方法和電池-電容雙模式儲能機理有望應用于新型的高性能電極的設計。

文獻鏈接：Low‐Temperature Reduction Strategy Synthesized Si/Ti₃C₂ MXene Composite Anodes for High‐Performance Li‐Ion Batteries（Adv. Energy Mater.,2019,DOI:10.1002/aenm.201901065）

本文由kv1004供稿。