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。

转自《石墨烯研究》公众号