導(dǎo)語(yǔ)

鋰離子電池是現(xiàn)代科技的重要組成部分，它們?yōu)橹悄苁謾C(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等設(shè)備提供了可靠的電力。然而，鋰離子電池的容量和性能仍有很大的提升空間，尤其是在陽(yáng)極材料的選擇上。

Q1??陽(yáng)極材料

鋰離子電池的陽(yáng)極主要是由石墨或碳纖維構(gòu)成，它們可以儲(chǔ)存一定量的鋰離子，但是并不是最理想的材料。硅是一種更有潛力的陽(yáng)極材料，它可以儲(chǔ)存比石墨多十倍的鋰離子，從而大幅提高電池的容量和能量密度。如果陽(yáng)極完全由硅制成，那么電池的容量理論上可以增加 70%。

Q2??如何減少硅的負(fù)面影響？

硅也有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是它在充放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生巨大的體積變化。當(dāng)鋰離子進(jìn)入硅時(shí)，硅會(huì)膨脹 300%，當(dāng)鋰離子離開硅時(shí)，硅又會(huì)收縮回原來(lái)的大小。這種反復(fù)的膨脹和收縮會(huì)導(dǎo)致硅材料的斷裂和剝落，從而降低電池的性能和壽命。因此，目前的研究都在尋找一種方法，可以在保持硅高容量的同時(shí)，減少或消除其體積變化帶來(lái)的負(fù)面影響。

近期，美國(guó)卓克索大學(xué)與愛爾蘭都柏林大學(xué)三一學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)取得了突破性的進(jìn)展，他們利用了一種名為 MXene 的特殊材料，將其與硅奈米粒子混合，制作出了一種新型的硅-MXene 陽(yáng)極。MXene 是一種由卓克索大學(xué)于 2011 年首次發(fā)現(xiàn)的二維無(wú)機(jī)化合物，它具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 30 多種不同類型的 MXene 材料，它們可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

研究團(tuán)隊(duì)選用了兩種 MXene 材料：碳化鈦（Ti3C2Tx）和碳氮化鈦（Ti3CNx），并將它們與石墨烯（graphene）混合成溶液。然后，他們將溶液與硅奈米粒子混合，并通過(guò)泥漿澆鑄法（slurry casting）制成薄膜狀的陽(yáng)極材料。這種方法簡(jiǎn)單而有效，可以批量生產(chǎn)不同形狀和大小的陽(yáng)極。

在這種陽(yáng)極中，MXene 和石墨烯形成了層狀且隨機(jī)分布的結(jié)構(gòu)，而硅奈米粒子則嵌入在其中。這樣一來(lái)，MXene 和石墨烯不僅提供了高效的導(dǎo)電通道，還起到了緩沖和黏合的作用，可以控制鋰離子進(jìn)入陽(yáng)極的速率和順序，并抑制硅奈米粒子過(guò)度膨脹。此外，MXene 和石墨烯還可以防止硅奈米粒子之間發(fā)生聚集和團(tuán)塊化，從而保持陽(yáng)極的均勻性和穩(wěn)定性。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這種新型陽(yáng)極進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試和分析，結(jié)果顯示，它具有非常優(yōu)異的電化學(xué)性能。在 0.1 C 的電流密度下，硅-MXene 陽(yáng)極的比容量達(dá)到了 1,500 毫安時(shí)/克（mAh/g），而石墨陽(yáng)極的比容量只有 372 mAh/g。在 1 C 的電流密度下，硅-MXene 陽(yáng)極的比容量仍然保持在 1,000 mAh/g 左右，而石墨陽(yáng)極的比容量則下降到了 200 mAh/g。這說(shuō)明，硅-MXene 陽(yáng)極不僅有高容量，還有高倍率性能。更重要的是，硅-MXene 陽(yáng)極的循環(huán)穩(wěn)定性也非常好，在 100 次充放電循環(huán)后，其容量保持率高達(dá) 94%。

除了高容量和高穩(wěn)定性外，硅-MXene 陽(yáng)極還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，那就是它的導(dǎo)電性非常高。研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了陽(yáng)極材料的電阻率，發(fā)現(xiàn)硅-MXene 陽(yáng)極的電阻率比純硅陽(yáng)極低了 100-1,000 倍。這意味著，硅-MXene 陽(yáng)極可以更快地傳輸電子，從而提高電池的充放電效率和功率輸出。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)研究為鋰離子電池的發(fā)展開辟了新的可能性，MXene 材料可以有效地解決硅陽(yáng)極的體積變化問(wèn)題，同時(shí)提供高導(dǎo)電性和高機(jī)械強(qiáng)度。未來(lái)，他們還計(jì)劃探索其他類型的 MXene 材料，以及不同形態(tài)和尺寸的硅材料，以進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)硅-MXene 陽(yáng)極的性能。

（來(lái)源：《Nature Communications》）