ACS AMI：两步构建3D分级多孔结构的MXene@Si纳米颗粒用于锂电

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研究背景

随着电子器件、电动汽车和大规模电网的快速发展，锂离子电池在过去的几十年中已经成为了商业化应用中最重要的储能器件之一。在商业化应用中，提升锂电的容量与循环寿命是相关研究的首要任务。在容量方面，Si基材料具有超高的理论容量（~4200 mA h g^-1 几乎是石墨电极容量的十倍以上），较低的放电范围（小于0.5V vs. Li/Li⁺）以及较低的电极极化已经成为了锂电中最具潜力的负极材料。然而，Si在嵌锂过程中的严重的体积膨胀限制了其广泛使用，Li₁₅Si₄的体积膨胀甚至超过300%。这会导致不稳定固态电解质界面（SEI）的形成，进而使容量快速地衰减。此外，Si本身较低的导电性影响着集流体与活性材料之间的电子转移，进而影响电化学性能。

成果简介

最近，北京化工大学陈晓红教授与宋怀河教授团队在国际高水平学术期刊 ACS Applied Materials and Interfaces上发表题目为：Three-Dimensional Hierarchical Porous Structures  Constructed by Two-Stage MXene-Wrapped Si Nanoparticles for Li-Ion Batteries的研究论文，提出了一种有效的策略制备一种3D分级多孔结构的MXene保护的Si基负极。带正电的改进Si与MXene纳米片之间通过静电力进行自组装，形成复合结构。

图文导读

图1.SiNP@MX1/MX2合成方法示意图。

图2. SiNP@MX1/MX2的微观形貌表征。

图3. SiNP@MX1/MX2的氮气吸脱附曲线，孔径分布与XRD图谱。

图4. SiNP@MX1/MX2的XPS图谱。

图5. SiNP@MX1/MX2的锂电电化学性能测试与动力学分析。

图6. SiNP@MX1/MX2的电化学交流阻抗与脱锂嵌锂过程。

图7. SiNP@MX1/MX2，SiNP@MX1和SiNP@MX2样品在循环200循环后的SEM图像。

本文总结

本文通过水热以及静电自组装成功地制备了Si纳米颗粒与MXene纳米片的3D多孔复合结构。在0.5 A g^-1的电流密度下循环200圈之后依旧具有1422 mA h g^-1的可逆容量，杰出的倍率性能，较高的库伦效率与长循环寿命。优异的性能得益于来自MXene的保护与3D分级多孔结构所具有的良好的电子导电性与快速的锂离子传输。是一种非常有借鉴意义的制备策略。

文献链接：

DOI: https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c15527