神奇材料 MXene 打造硅阳极，新型锂电池导电性最多增千倍

导语

锂离子电池是现代科技的重要组成部分，它们为智能手机、笔记本电脑、电动汽车等设备提供了可靠的电力。然而，锂离子电池的容量和性能仍有很大的提升空间，尤其是在阳极材料的选择上。

Q1  阳极材料

锂离子电池的阳极主要是由石墨或碳纤维构成，它们可以储存一定量的锂离子，但是并不是最理想的材料。硅是一种更有潜力的阳极材料，它可以储存比石墨多十倍的锂离子，从而大幅提高电池的容量和能量密度。如果阳极完全由硅制成，那么电池的容量理论上可以增加 70%。

Q2  如何减少硅的负面影响？

硅也有一个致命的缺点，那就是它在充放电过程中会发生巨大的体积变化。当锂离子进入硅时，硅会膨胀 300%，当锂离子离开硅时，硅又会收缩回原来的大小。这种反复的膨胀和收缩会导致硅材料的断裂和剥落，从而降低电池的性能和寿命。因此，目前的研究都在寻找一种方法，可以在保持硅高容量的同时，减少或消除其体积变化带来的负面影响。

近期，美国卓克索大学与爱尔兰都柏林大学三一学院的研究团队取得了突破性的进展，他们利用了一种名为 MXene 的特殊材料，将其与硅奈米粒子混合，制作出了一种新型的硅-MXene 阳极。MXene 是一种由卓克索大学于 2011 年首次发现的二维无机化合物，它具有优异的导电性、机械强度和化学稳定性。目前已经发现了 30 多种不同类型的 MXene 材料，它们可以根据不同的应用需求进行调节和优化。

研究团队选用了两种 MXene 材料：碳化钛（Ti3C2Tx）和碳氮化钛（Ti3CNx），并将它们与石墨烯（graphene）混合成溶液。然后，他们将溶液与硅奈米粒子混合，并通过泥浆浇铸法（slurry casting）制成薄膜状的阳极材料。这种方法简单而有效，可以批量生产不同形状和大小的阳极。

在这种阳极中，MXene 和石墨烯形成了层状且随机分布的结构，而硅奈米粒子则嵌入在其中。这样一来，MXene 和石墨烯不仅提供了高效的导电通道，还起到了缓冲和黏合的作用，可以控制锂离子进入阳极的速率和顺序，并抑制硅奈米粒子过度膨胀。此外，MXene 和石墨烯还可以防止硅奈米粒子之间发生聚集和团块化，从而保持阳极的均匀性和稳定性。

研究团队对这种新型阳极进行了详细的测试和分析，结果显示，它具有非常优异的电化学性能。在 0.1 C 的电流密度下，硅-MXene 阳极的比容量达到了 1,500 毫安时/克（mAh/g），而石墨阳极的比容量只有 372 mAh/g。在 1 C 的电流密度下，硅-MXene 阳极的比容量仍然保持在 1,000 mAh/g 左右，而石墨阳极的比容量则下降到了 200 mAh/g。这说明，硅-MXene 阳极不仅有高容量，还有高倍率性能。更重要的是，硅-MXene 阳极的循环稳定性也非常好，在 100 次充放电循环后，其容量保持率高达 94%。

除了高容量和高稳定性外，硅-MXene 阳极还有一个突出的优点，那就是它的导电性非常高。研究团队测量了阳极材料的电阻率，发现硅-MXene 阳极的电阻率比纯硅阳极低了 100-1,000 倍。这意味着，硅-MXene 阳极可以更快地传输电子，从而提高电池的充放电效率和功率输出。

研究团队认为，这项研究为锂离子电池的发展开辟了新的可能性，MXene 材料可以有效地解决硅阳极的体积变化问题，同时提供高导电性和高机械强度。未来，他们还计划探索其他类型的 MXene 材料，以及不同形态和尺寸的硅材料，以进一步优化和改进硅-MXene 阳极的性能。

（来源：《Nature Communications》）