硅(Si)具有超高的理論容量4200 mAh g
−1，是高能量密度鋰離子電池(LIBs)最具前景的陽極材料之一。然而，硅陽極導電率低、體積膨脹大等缺點嚴重阻礙了其商業應用。在此，我們提出了一種合成三維(3D)多孔Si@MXene@3-氨基丙基三乙氧基硅烷(SMA)復合電極的綜合策略。基于靜電自組裝和表面重構策略，以3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)為偶聯劑，同時對納米Si和MXene納米片進行表面重構，成功制備了具有三維導電網絡結構的SMA復合材料，具有快速的電子/離子傳導通路和較高的結構穩定性。因此，SMA復合電極表現出極高的初始庫侖效率(ICE, 90.9%)，優異的循環穩定性(在電流密度為0.5 A g
−1的情況下，105次循環后的容量為2258 mAh g
−1)和良好的速率性能。綜上所述，基于三維導電網絡設計和表面重構的合理策略提高了鋰電池Si陽極的電化學性能。
圖1 (a) MXene納米片和(b) SMA復合材料的合成過程示意圖。
圖2. (a−c) SMA復合材料的SEM圖像。(d−f) SMA復合材料的TEM圖像。(g)納米Si和(h) MXene納米片的HRTEM圖像。(i) SMA復合材料的元素映射圖像。
圖3 (a, b) SMA復合材料、MXene和Si@APTES的XRD圖譜。(c)拉曼光譜。(d)不同材料的氮吸附-脫附等溫線。ζ電位(e)。(f)測量不同材料的XPS光譜。SMA復合材料的(g) Si 2p， (h) Ti 2p和(i) N 1s的高分辨率XPS光譜。
圖4. 表面重建合成過程(a)和與PAA結合過程(b)示意圖。
圖5 (a)在0.1 a g
−1時SMA復合電極、Si@APTES和原始Si電極的首次充放電曲線。圖5a中的插圖為三個電極的ICEs。(b) 0.1 A g
−1下SMA復合電極的前5個循環充放電曲線。(c)的CV曲線掃描速率為0.2 mV s
−1的SMA復合材料。(d)不同電流密度下的速率能力。(e) 4個電極在0.5 A g
−1下的循環性能。
圖6 (a)不同掃描速率(0.2 ~ 1.0 mV s
−1)下SMA復合電極的CV曲線)。(b) log(峰值電流)與log(掃描速率)的關系。(c)掃描速率為0.8 mV s
−1時，電容電荷存儲對SMA復合電極總容量的貢獻。(d)不同掃描速率下的容量貢獻。
圖7 100次循環后(a−c)原始Si、(d−f) Si@APTES和(g−i) SMA復合電極的數字照片和SEM圖像。
相關科研成果由中南大學粉末冶金國家重點實驗室Libao Chen等人于2022年發表在ACS Applied Energy Materials (https://doi.org/10.1021/acsaem.2c02500)上。原文：High-Capacity and Long-Lived Silicon Anodes Enabled by Three-Dimensional Porous Conductive Network Design and Surface ReconstructionSilylation。
轉自《石墨烯研究》公眾號
