ACS Nano：MXene@Si增强储锂性能

【研究背景】

锂离子电池是可穿戴电子器件与电动/混合动力汽车的主要能源系统，目前商用的石墨烯负极因其较低的理论容量（372 mAh g^-1）不足以满足当今的能源需求。作为一种理想选择，硅（Si）作为一种下一代锂电的最具潜力的负极材料之一，因其具有超高的理论容量（4200 mAh g^-1），合适的嵌锂电位（0.4 V vs. Li/Li⁺）以及自然的丰度，引起了研究者们持续的关注。然而，在循环过程中硅负极巨大的体积变化（高达400%），本身较低的导电性（10^-3S cm^-1）以及较低的锂扩散系数，经常会造成电极的粉化和较高的反应不可逆性，导致了电池容量的损失。

为了克服这些不足，MXene，作为2D材料家族一个新兴的成员，自从2011年被首次报道以来，因其杰出的导电性和合成的兼容性，在储能领域得到了广泛的关注。作为最具代表性的Ti₃C₂T_xMXene，其具有与石墨烯类似的结构，但可以更快地传输锂离子以及更高的充放电速率，原因在于其（0.07 eV）具有比石墨烯更低的锂扩散势垒（0.3 eV）。此外，丰富的表面官能团更容易与其他材料进行复合。除了作为导电基质以外还可以提供较高的赝电容贡献，这得益于其表面丰富的氧化还原反应。

【成果简介】

最近，上海大学Haijiao Zhang教授，同济大学Chi Zhang与Jinhu Yang教授合作，在国际知名学术期刊ACS Nano上发表题目为：Ti₃C₂T_x MXene Nanosheets as a Robust and Conductive Tight on Si Anodes Significantly Enhance Electrochemical Lithium Storage Performance 的研究论文。该论文合成了一种核壳结构的和复合物，Ti₃C₂T_x 纳米片（TNS）作为一种导电的稳定材料紧密地包覆在Si多孔纳米球表面，是一种稳定的高容量的锂离子电池的负极材料。

【图文导读】

图1. Si p-NS@TNS复合电极的合成过程示意图以及微观形貌表征：SEM, TEM，HRTEM, STEM和mapping。

图2. Si p-NS@TNS复合电极与对比样品的XRD，Raman，BET和XPS图谱。

图3. Si p-NS@TNS复合电极的电化学性能测试：CV，EIS以及在不容电流密度下的循环性能。

图4. Si p-NS@TNS复合电极的动力学分析。

图5. Si p-NS@TNS复合电极的有限元模拟。

【本文总结】

本文通过界面组装以及磁热还原反应，制备了核壳结构的Ti₃C₂T_x@Si复合电极。Ti₃C₂T_x纳米片增强了与Si的界面接触，进而提升了导电性以及结构的稳定性，从而避免电极的粉化，进而提升了储锂性能。此外，力学模拟定量地揭示了锂化后的Si p-NS@TNS复合电极产生了较低的径向和环向应力，证明了TNS的包覆有效增强了硅负极的结构稳定性。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c01976

信息来源： MXene Frontier