山东大学Adv. Energy Mater.：低温还原的策略合成Ti3C2/Si复合负极用于高性能锂离子电池

【引言】

硅是下一代锂离子电池最具前景的负极材料之一。然而，硅负极在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀与收缩，造成电极粉化，导致容量的迅速衰减。制备纳米尺度的硅颗粒是一种改善锂离子电池硅负极性能的有效方法。碳纳米材料经常作为硅纳米颗粒载体，不仅阻止硅纳米颗粒聚集和粉碎，而且显著增加电极电导率。但是，碳材料（如石墨烯等）锂离子扩散能力较弱，并且碳材料多为电化学惰性材料，所以不利于获得较高的能量密度和功率密度。 二维Ti₃C₂ MXene具有较高的离子传输效率和良好的电化学活性，能很好地替代石墨烯，负载纳米硅制备高比能负极材料。为了充分利用硅和MXene的优点，以下几点需要注意：1.硅或者它的前驱体应该可控合成来获得单分散态；2.硅和MXene之间应形成化学键来加快界面电荷转移速率；3.合成条件应温和，防止Ti₃C₂ MXene的二维超薄层状结构受损。采用高效、低温的方法将硅和MXene均匀地结合很重要和极具挑战性。

【成果简介】

山东大学的尹龙卫教授和王成祥（共同通讯作者）等人通过正硅酸乙酯的可控水解和相对温和的反应条件下的低温镁热还原反应制备了新型的分层多孔结构的Ti₃C₂/Si纳米复合材料作为锂离子电池的负极材料。直径为40nm左右的硅纳米颗粒被固定在Ti₃C₂纳米片上。这种负极材料具有高比容量、出色的倍率性能和超长的循环寿命。另外，Ti₃C₂ MXene的赝电容行为对于电池容量非常重要。上述成果于近日发表在Adv. Energy Mater.上。

【图文导读】

图1.Ti₃C₂/Si纳米复合材料的制备的示意图

图2.Ti₃C₂/Si纳米片的形貌表征

a-d分别为et-Ti₃C₂、in-Ti₃C₂、Ti₃C₂/SiO₂和Ti₃C₂/Si的SEM图

e,f为Ti₃C₂/Si的TEM图

g.Ti₃C₂/Si的HRTEM图

h.Ti₃C₂/Si的SAED图

i–m.TEM图和元素分布图

图3.详细的结构和成分的表征

a.XRD图

b.FTIR图

c.Si的XPS图

d.O的XPS图

图4.电化学性能和储锂性能

a.Ti₃C₂/Si电极的初始CV曲线

b.Ti₃C₂/Si电极的充/放电电压曲线

c.Ti₃C₂、Ti₃C₂/SiO₂、 Ti₃C₂/Si和纯Si电极的比容量

d.Ti₃C₂、Ti₃C₂/SiO₂和Ti₃C₂/Si电极的倍率性能

e.Ti₃C₂/Si电极的循环性能

图5.电化学行为的动力学分析

a.EIS谱图

b.低频区域的 Zre和ω^1/2 间的关系

c.不同扫描速率下的Ti₃C₂/Si电极的CV曲线

d.峰值电流和扫描速率之间的关系

e.电容对储锂性能的贡献

f.不同扫描速率下的电容贡献比率

【小结】

研究团队将正硅酸乙酯可控水解和低温镁热还原反应结合起来，制备了Ti₃C₂/Si纳米复合材料。这种材料在活性表面积、电荷转移速率、结构稳定性和储锂性能方面都有良好表现。Ti₃C₂ MXene不仅为锂离子和电子提供快速转移的通道，而且缓解硅负极的体积膨胀效应。另外，Ti₃C₂ MXene的赝电容行为和大量的表面氧化还原反应点对改善储锂性能起到协同作用。Ti₃C₂/Si电极的低温制备的方法和电池-电容双模式储能机理有望应用于新型的高性能电极的设计。

文献链接：Low‐Temperature Reduction Strategy Synthesized Si/Ti₃C₂ MXene Composite Anodes for High‐Performance Li‐Ion Batteries（Adv. Energy Mater.,2019,DOI:10.1002/aenm.201901065）

本文由kv1004供稿。