应用-MXene助力锂电硅负极材料的发展-①

研究背景

由于独特的物化性质，MXene得到广泛研究，涉及多个领域。由于高容量，自然含量丰富，低的脱嵌锂电位，硅负极材料是很有竞争力的负极材料，且有一定的实用前景，然而，有两个比较关键的问题，制约了硅负极材料的进一步发展。反复锂化/脱锂循环过程中，较大的体积膨胀和收缩会导致硅负极材料的粉碎和不稳定的SEI膜生成，SEI膜的破裂会导致电解液的进一步消耗，以及容量的急剧衰减。低的电子电导率和离子电导率影响了材料的倍率性能，因此，硅负极材料的研究一直致力于如何更好地调节应变而没有明显的体积变化，稳定SEI膜并增强其电子和离子电导率。本次分享MXene如何助力锂电硅负极材料的发展，仅仅是已发表文章的一部分，后期再分享其他文章。

文献1：

Enhanced reversible Li-ion storage in Si@Ti3C2 MXene nanocomposite Electrochemistry Communications 97 (2018) 16–21.

内容简介

通过简单超声混合商用硅和多层的Ti3C2 MXene，由于MXene良好导电性，整个复合材料的电化学性能有所提高。与石墨烯相比较，由于MXenes的制备过程简单，整个复合材料很容易制备得到。

文献2：

Enhanced cycling performance of Si-MXene nanohybrids as anode for high

performance lithium ion batteries

Chemical Engineering Journal 378 (2019) 122212.

内容简介

建立在剥离后的少层MXene纳米片的基础上，通过冷冻干燥的方法，制备了多孔三明治结构的Si/d-Ti3C2复合材料。与剥离后的MXene相比较，复合材料的比表面积有所减小，说明硅纳米颗粒成功填充到多孔MXene基体上。少层MXene纳米片的引入，不仅缓冲了体积膨胀问题，使得复合材料在多次循环后，可以保持稳定的结构，也改善了Si颗粒和电极之间的电接触，使得极化电压明显减少。在500mA/g的电流密度下，经过200次循环，比容量可以保持在1130mAh/g,体现出良好的电化学性能。

文献3：

Employing MXene as a matrix for loading amorphous Si generated upon lithiation towards enhanced lithium-ion storage

Journal of Energy Chemistry 38 (2019) 50–54.

内容简介

天津大学化工学院范晓彬课题组，将混合液超声，接着抽滤成膜的方式，制备了MXene&Si复合电极，MXene用作Si负极材料的载体，在充放电的过程中，Si颗粒边缘无定型化，生成了非晶的LixSi。 经过多次循环后，Si颗粒仍然散步在MXene基体上，产生5nm大小的核壳结构，内层核为晶体硅，外层壳为无定型硅，使得在循环后期出现容量上升的现象。相比单独的Si，整个复合材料电化学性能有所改善，原因归于以下几点:（1）MXene具有良好的电导率，增强了电子传输能力；（2）MXene作为载体，可以缓解Si在充放电过程中的团聚现象；（3）引入的MXene有助于更快的离子传输。

文献4：

Flexible and Freestanding Silicon/MXene Composite Papers for High-Performance Lithium-Ion Batteries

ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 10004−10011.

内容简介

山东大学材料科学与工程学院冯金奎课题组，通过将混合液真空抽滤的方式，制备了柔性自支撑的Si/MXene复合纸，可直接用作锂电负极材料，省却了导电剂和粘结剂，MXene的多功能性使得其本身可以发挥导电剂和粘结剂的作用，极大得提高了电池体系的能量密度。直径为20-60 nm的Si纳米球可以均匀地吸附在MXene基体上。XPS测试表明，在MXene和Si纳米球的界面处形成了Si-C化学键，可以增强相界面处的电子传输并在循环过程中保持结构的稳定，这种独特的结构可以适应大体积膨胀，增强复合材料的导电性，防止MXene片堆叠，提供更多的活性位点并促进有效的离子迁移，从而展现出优异的电化学性能，与商用Si纳米球相比，具有非常明显的性能提升。复合材料在200 mA/g电流密度下，经过100次循环，容量为2118mAh/g，1000 mA/g下，经过200次循环，容量保持在1672 mAh/g,体现出稳定的循环性能，在5000 mA/g下的倍率性能为890 mAh/g。这项工作为Si负极材料的发展提供了更多的参考。

文献5：

High capacity silicon anodes enabled by MXene viscous aqueous ink

NATURE COMMUNICATIONS| (2019) 10:849.

内容简介

瑞士联邦理工学院材料科学研究所张传芳课题组，在MXene墨汁制备及应用方面有许多引领性的工作报道，他们通过直接把硅粉与粘稠墨汁相混，利用商用的涂布工艺，在无额外导电剂和粘结剂的情况下，构筑了高载量的MXene/Si 复合电极（厚度高达450微米）。MXene墨汁具有很粘稠的特性，且墨汁由绝大部分的单层纳米片所组成，墨汁的高粘度及纳米片的高机械强度，可以有效构筑高载量的MXene/Si复合电极。高质量、大尺寸的单层MXene纳米片可以有效的包裹住Si颗粒，形成三明治式结构。连贯的三维骨架导电网络不但为离子、电子的迅速传输提供了可能，而且提供优异的机械特性，得到了柔性、高载量的MXene/硅基负极材料。电极取得了高达23.3 mAh/cm2的面容量，远远超过前人所报道的硅电极的面容量，通过拟合发现，当采用微米级硅时，即使进一步提升载量，负极一侧的整体比容量提升空间已经不大，说明本研究中的MXene墨汁将微米级硅的容量发挥到了极致。且电极制备工艺简单，与商用的涂布工艺完全兼容，可以规模化生产，具有巨大的潜在应用价值。

信息来源：mxene笔记

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