锂离子电池 | Chem. Eng. J. | MXene作为导电添加剂提升硅负极界面稳定性

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研究速览

■ 近日，贵州大学吴复忠教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Robust MXene adding enables the stable interface of silicon anodes for high-performance Li-ion batteries”的研究论文。该论文以MXene作为导电添加剂替代传统的乙炔黑，制备了不同比例的硅负极。其中，片层结构的MXene不仅提升硅负极的导电性，促进ICE的提升及容量的释放，同时二维的片层结构也有效的抑制了硅的体积膨胀；通过循环前后电极的SEM、XPS表征发现：MXene的终端基团对硅负极的SEI膜的导电组分也起到促进的作用。

Part1

▉  研究摘要  ▉

■ 随着便携式电子产品和电动汽车的快速发展，对具有高能量密度和长寿命的锂离子电池需求空前高涨。与传统的商业石墨负极相比，硅（Si）基材料具有理论比容量高、放电平台低和环境友好等优点，被认为是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料。然而，充放电过程中巨大的体积膨胀（270%）导致电极粉化，不稳定的固体电解质界面（SEI）的反复形成，及低库仑效率(CE)。同时低的本征电导率 (10-5Sm-1)和缓慢的Li+扩散动力学(10-14-10-13 cm2s-1)阻碍了硅负极的发展。目前，硅负极的改性主要集中于结构设计、复合改性及粘结剂与电解质的设计与选择，作为电池体系中重要组成部分的导电剂却鲜有报道。

■ 鉴于此，贵州大学吴复忠课题组以二维材料Ti3C2Tx替代传统的乙炔黑（CB）作为导电剂，应用于Si负极的制备。通过对Ti3C2Tx的含量进行了调控，研究其电极首次库仑效率(ICE)、循环性能、容量贡献及循环保持率的影响。结果显示，Si-M1电极在1 Ag-1的电流密度下循环100次后的放电比容量为2522.6 mAh/g，在5 Ag-1电流密度下的放电比容量为1867.1 mAh·g-1，显示出良好的电化学性能。

Part2

▉  研究要点1  ▉

■ 作者首先对电极的ICE及放电比容量进行了研究，与传统使用的炭黑 (CB) 相比， Ti3C2Tx可以提升电极的导电性，促进硅负极的容量释放，但二维片层Ti3C2Tx的trapping效应又会阻碍锂离子的释放，因此Ti3C2Tx对 ICE 和放电比容量表现出复杂的竞争关系。

▉  研究要点2  ▉

■ 作者通过对比不同比例Ti3C2Tx电极的锂离子电导率、EIS阻抗及容量分析发现：Ti3C2Tx降低了材料的界面阻抗，而硅负极容量的保持主要在于抑制了硅负极的体积膨胀，降低了死硅的产生。其中，Si-M1显示出最好的容量与倍率性能。

▉  研究要点3  ▉

■ 与传统的CB相比，Ti3C2Tx的终端基团利于Li2O的形成，而其作为SEI膜的重要组成，可以提升材料的导电性，Ti3C2Tx不仅稳定了硅负极的界面，同时形成的SEI膜也利于锂离子的传输。

Part3

▉  研究总结  ▉

■ 作者采用MXene作为导电剂，制备了不同比例的硅负极，对其ICE、放电容量及循环稳定性进行了深入的研究。

发现Ti3C2Tx与CB相比具有以下三个优点：

1）优良的导电性有利于Si负极容量的释放；

2）层状结构可以抑制Si的体积膨胀，使Si与集流体保持良好的电接触；

3）Ti3C2Tx的终端基团不仅可以增加与活性物质及粘结剂的结合强度，而且有利于在SEI中形成具有良好导电性的组分。

该项研究工作有助于促进硅负极的应用，并有望扩展到其他负极材料，如Sn、Ge等，同时也对MXene的应用提供了新的思路。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139139