硅(Si)具有较高的理论容量和较低的工作电位，在锂离子电池(LIBs)中显示出巨大的潜力。然而，其固有的低电导率和大体积膨胀在锂化过程中导致了显著的容量衰减和较差的速率能力。本文提出了一种双约束策略，通过将Si纳米粒子均匀锚定在MXene/ZIF-8衍生的碳框架内来改善Si的锂存储性能。在Si/MXene@C复合材料中，Si纳米颗粒分别通过形成的界面Si−O−Ti和Si−C键与MXene和碳紧密结合，有利于缓解Si的体积膨胀，促进界面电荷转移。因此，Si/MXene@C复合材料在高容量(100 mA g⁻¹时1006.1 mAh g⁻¹)、稳定的循环性能(100 mA g⁻¹时150次循环后862.9 mAh g⁻¹)和优越的速率能力(5 A g⁻¹时233.3 mAh g⁻¹)方面展示了优异的锂存储性能，表明其作为下一代高性能锂电池阳极材料的潜力。
 
图1  Si/MXene@C复合材料的制备过程示意图。
 
图2. (a) Si、(b) Si@C、(c) Si/MXene和(d) Si/MXene@C的SEM图像。Si/MXene@C的(e, f) TEM， (g) HRTEM， (h) SAED和(i) STEM图像以及Si, Ti, C和O的相应元素映射图像。
  
图3 (a) XRD图案，(b)拉曼光谱，和(c) Si/MXene@C, Si/MXene, Si@C和Si的高分辨率Si 2p XPS光谱。(d) Si/MXene@C、Si和MXene的高分辨率O 1s光谱。Si/MXene@C的高分辨率(e) C 1s和(f) Ti 2p光谱。
 
图4. (a) 0.1 mV s⁻¹的CV曲线和(b) 100 mA g⁻¹的Si/MXene@C在最初三个循环中的恒流充放电曲线。在(c) 100 mA g⁻¹和(e) 1 A g⁻¹的电流密度下，Si/MXene@C, Si/MXene和Si@C的循环性能。(d) Si/ MXene@C的速率性能。
  图5。(a) Si/MXene@C和(b) Si在1 ag⁻¹ 100个循环之前和之后的俯视图和横断面SEM图像。
 
        相关科研成果由北京化工大学有机-无机复合材料国家重点实验室Bin Xu等人于2022年发表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.2c02594)上。原文：Dual Confinement of Si Nanoparticles in a MXene/ZIF-8-Derived Carbon Framework for Lithium-Ion Batteries。

转自《石墨烯研究》公众号