研究速覽

■?近日，貴州大學(xué)吳復(fù)忠教授在國(guó)際知名期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表題為“Robust MXene adding enables the stable interface of silicon anodes for high-performance Li-ion batteries”的研究論文。該論文以MXene作為導(dǎo)電添加劑替代傳統(tǒng)的乙炔黑，制備了不同比例的硅負(fù)極。其中，片層結(jié)構(gòu)的MXene不僅提升硅負(fù)極的導(dǎo)電性，促進(jìn)ICE的提升及容量的釋放，同時(shí)二維的片層結(jié)構(gòu)也有效的抑制了硅的體積膨脹；通過(guò)循環(huán)前后電極的SEM、XPS表征發(fā)現(xiàn)：MXene的終端基團(tuán)對(duì)硅負(fù)極的SEI膜的導(dǎo)電組分也起到促進(jìn)的作用。

Part1

▉? 研究摘要? ▉

■?隨著便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，對(duì)具有高能量密度和長(zhǎng)壽命的鋰離子電池需求空前高漲。與傳統(tǒng)的商業(yè)石墨負(fù)極相比，硅（Si）基材料具有理論比容量高、放電平臺(tái)低和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的下一代鋰離子電池負(fù)極材料。然而，充放電過(guò)程中巨大的體積膨脹（270%）導(dǎo)致電極粉化，不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）的反復(fù)形成，及低庫(kù)侖效率(CE)。同時(shí)低的本征電導(dǎo)率 (10-5Sm-1)和緩慢的Li+擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)(10-14-10-13 cm2s-1)阻礙了硅負(fù)極的發(fā)展。目前，硅負(fù)極的改性主要集中于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合改性及粘結(jié)劑與電解質(zhì)的設(shè)計(jì)與選擇，作為電池體系中重要組成部分的導(dǎo)電劑卻鮮有報(bào)道。

■?鑒于此，貴州大學(xué)吳復(fù)忠課題組以二維材料Ti3C2Tx替代傳統(tǒng)的乙炔黑（CB）作為導(dǎo)電劑，應(yīng)用于Si負(fù)極的制備。通過(guò)對(duì)Ti3C2Tx的含量進(jìn)行了調(diào)控，研究其電極首次庫(kù)侖效率(ICE)、循環(huán)性能、容量貢獻(xiàn)及循環(huán)保持率的影響。結(jié)果顯示，Si-M1電極在1 Ag-1的電流密度下循環(huán)100次后的放電比容量為2522.6 mAh/g，在5 Ag-1電流密度下的放電比容量為1867.1 mAh·g-1，顯示出良好的電化學(xué)性能。

Part2

▉? 研究要點(diǎn)1? ▉

■?作者首先對(duì)電極的ICE及放電比容量進(jìn)行了研究，與傳統(tǒng)使用的炭黑 (CB) 相比， Ti3C2Tx可以提升電極的導(dǎo)電性，促進(jìn)硅負(fù)極的容量釋放，但二維片層Ti3C2Tx的trapping效應(yīng)又會(huì)阻礙鋰離子的釋放，因此Ti3C2Tx對(duì) ICE 和放電比容量表現(xiàn)出復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

▉? 研究要點(diǎn)2? ▉

■?作者通過(guò)對(duì)比不同比例Ti3C2Tx電極的鋰離子電導(dǎo)率、EIS阻抗及容量分析發(fā)現(xiàn)：Ti3C2Tx降低了材料的界面阻抗，而硅負(fù)極容量的保持主要在于抑制了硅負(fù)極的體積膨脹，降低了死硅的產(chǎn)生。其中，Si-M1顯示出最好的容量與倍率性能。

▉? 研究要點(diǎn)3? ▉

■?與傳統(tǒng)的CB相比，Ti3C2Tx的終端基團(tuán)利于Li2O的形成，而其作為SEI膜的重要組成，可以提升材料的導(dǎo)電性，Ti3C2Tx不僅穩(wěn)定了硅負(fù)極的界面，同時(shí)形成的SEI膜也利于鋰離子的傳輸。

Part3

▉? 研究總結(jié)? ▉

■?作者采用MXene作為導(dǎo)電劑，制備了不同比例的硅負(fù)極，對(duì)其ICE、放電容量及循環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究。

發(fā)現(xiàn)Ti3C2Tx與CB相比具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）優(yōu)良的導(dǎo)電性有利于Si負(fù)極容量的釋放；

2）層狀結(jié)構(gòu)可以抑制Si的體積膨脹，使Si與集流體保持良好的電接觸；

3）Ti3C2Tx的終端基團(tuán)不僅可以增加與活性物質(zhì)及粘結(jié)劑的結(jié)合強(qiáng)度，而且有利于在SEI中形成具有良好導(dǎo)電性的組分。

該項(xiàng)研究工作有助于促進(jìn)硅負(fù)極的應(yīng)用，并有望擴(kuò)展到其他負(fù)極材料，如Sn、Ge等，同時(shí)也對(duì)MXene的應(yīng)用提供了新的思路。

文章鏈接：

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