ACSAMI:MXene骨架包覆Si增强富含LiF固态电解质界面的生长与稳定性

【研究背景】

为了满足便携式电子产品和电动汽车不断增长的能量密度需求，正在为下一代锂离子电池（LIB）探索具有高容量和合适工作电压的电极材料。在负极候选材料中，硅因为高理论比容量（4200 mA hg^–1）和相对较低的工作电压（<0.5 Vvs Li / Li⁺），被认为是最有前途的材料之一。但其在深层锂化/脱锂过程中产生的巨大的体积变化（约300％）导致严重的颗粒破裂和不稳定的固体-电解质中间相（SEI）层，循环稳定性差，严重阻碍了硅负极的商业应用。为了解决硅SEI的固有不稳定特性，迫切需要对基于Si负极的人造SEI层进行精细设计。

LiF由于其独特的电化学和机械性能，目前被认为是电池负极最有效的SEI组分。由于LiF具有最大的带隙（13.6 eV），而有最低的电子电导率，可以抑制电化学循环过程中的电子隧穿。MXene纳米片中大量的氟基有望在循环时在MXene表面上形成高度共形，均匀且耐用的富LiF层。综合上述优点，来自MXene的富LiF的SEI层将成为基于Si的负极的理想人造SEI候选材料。

【成果简介】

最近，同济大学Xiaowei Yang教授课题组在国际知名学术期刊ACS Applied Materials & Interfaces上发表一篇题目为：MXene Frameworks Promote the Growth and Stability of LiF-Rich Solid−Electrolyte Interphases on Silicon Nanoparticle Bundles的研究论文，该研究设计并在坚固的MXene框架（Si @ MXene 胶囊）下在硅负极上制备了稳定的保护界面，其中，硅纳米颗粒束被封装在MXene框架中，该框架具有由毛细作用力形成的皱缩的微观结构，充电/放电循环过程中的硅纳米粒子的重复体积变化，通过简单的热自交联过程，在相邻的纳米薄片之间引入大量的共价键(Ti - O - Ti)，极大地提高了MXene框架的结构稳定性，从而实现了高度稳定的电极结构。

【图文导读】

图1. 循环期间带有和不带保护性MXene外壳的硅基负极的示意图

图2. Si @ MXene胶囊的物理表征

图3. Si @ MXene胶囊的XPS能谱和N₂吸附/解吸等温线

图4. 相应样品的XRD图谱

图5. Si @ MXene电极的电化学性能

图6. Si @ MXene电极在1 A g^-1的不同循环次数后的XPS光谱

图7.循环前后硅基电极的SEM图像

【本文总结】

本文提出了一种合理的在硅负极上设计高稳定的保护相的方法。褶皱的MXene纳米片具有足够的自由体积，可以缓冲硅负极引起的应力，并且相邻片之间的共价键的形成有助于建立坚固的MXene骨架。此外，MXene中丰富的氟基在循环时会在壳体上产生高度致密且持久的富LiF的SEI层，可以抑制有机电解质的分解。得益于这些优点，所获得的阳极在0.2 A g^–1下可提供1797 mA hg^–1的高比容量，在2 A g^–1下 500次循环后容量保持率高达86.7％，平均库仑效率为99.6％。更重要的是，在硅负极上构建富LiF SEI层的设计策略也可以应用于具有高体积效应的其他高容量电极材料。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c01959

信息来源： MXene Frontier

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