中南大学粉末冶金国家重点实验室libao chen等--三维多孔导电网络设计和表面重建使高容量和长寿命硅阳极成为可能

硅(Si)具有超高的理论容量4200 mAh g⁻¹，是高能量密度锂离子电池(LIBs)最具前景的阳极材料之一。然而，硅阳极导电率低、体积膨胀大等缺点严重阻碍了其商业应用。在此，我们提出了一种合成三维(3D)多孔Si@MXene@3-氨基丙基三乙氧基硅烷(SMA)复合电极的综合策略。基于静电自组装和表面重构策略，以3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)为偶联剂，同时对纳米Si和MXene纳米片进行表面重构，成功制备了具有三维导电网络结构的SMA复合材料，具有快速的电子/离子传导通路和较高的结构稳定性。因此，SMA复合电极表现出极高的初始库仑效率(ICE, 90.9%)，优异的循环稳定性(在电流密度为0.5 A g⁻¹的情况下，105次循环后的容量为2258 mAh g⁻¹)和良好的速率性能。综上所述，基于三维导电网络设计和表面重构的合理策略提高了锂电池Si阳极的电化学性能。

图1  (a) MXene纳米片和(b) SMA复合材料的合成过程示意图。

图2. (a−c) SMA复合材料的SEM图像。(d−f) SMA复合材料的TEM图像。(g)纳米Si和(h) MXene纳米片的HRTEM图像。(i) SMA复合材料的元素映射图像。

图3 (a, b) SMA复合材料、MXene和Si@APTES的XRD图谱。(c)拉曼光谱。(d)不同材料的氮吸附-脱附等温线。ζ电位(e)。(f)测量不同材料的XPS光谱。SMA复合材料的(g) Si 2p， (h) Ti 2p和(i) N 1s的高分辨率XPS光谱。

图4. 表面重建合成过程(a)和与PAA结合过程(b)示意图。

    

图5 (a)在0.1 a g⁻¹时SMA复合电极、Si@APTES和原始Si电极的首次充放电曲线。图5a中的插图为三个电极的ICEs。(b) 0.1 A g⁻¹下SMA复合电极的前5个循环充放电曲线。(c)的CV曲线扫描速率为0.2 mV s⁻¹的SMA复合材料。(d)不同电流密度下的速率能力。(e) 4个电极在0.5 A g⁻¹下的循环性能。

图6 (a)不同扫描速率(0.2 ~ 1.0 mV s⁻¹)下SMA复合电极的CV曲线)。(b) log(峰值电流)与log(扫描速率)的关系。(c)扫描速率为0.8 mV s⁻¹时，电容电荷存储对SMA复合电极总容量的贡献。(d)不同扫描速率下的容量贡献。

图7 100次循环后(a−c)原始Si、(d−f) Si@APTES和(g−i) SMA复合电极的数字照片和SEM图像。

相关科研成果由中南大学粉末冶金国家重点实验室Libao Chen等人于2022年发表在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。