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硅是下一代锂离子电池最有前途的阳极材料之一。然而,硅负极在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀和收缩,导致电极粉化,导致容量迅速衰减。纳米硅粒子的制备是提高锂离子电池硅负极性能的有效方法。碳纳米材料常被用作硅纳米粒子的载体,不仅可以防止硅纳米粒子的聚集和破碎,还可以显著提高电极的电导率。但是,碳材料具有较弱的锂离子扩散能力,碳材料多为电化学惰性材料,不利于获得较高的能量密度和功率密度。二维Ti3C2 MXene具有较高的离子传输效率和良好的电化学活性,可替代石墨烯和负载纳米硅制备高比能量阴极材料。为了充分利用硅和MXene的优势,需要注意以下几点:1。硅或其前驱体应可控合成,以获得单分散状态;2.硅和MXene之间应形成化学键,加速界面电荷转移速率;3.合成条件应温和,以防止Ti3C2 MXene二维超薄层状结构的破坏。高效、低温地将硅和MXene均匀结合是非常重要和具有挑战性的。
山东大学尹教授和王等人在相对温和的反应条件下,通过四乙氧基硅烷可控水解和低温镁热还原反应,制备了一种新型层状多孔Ti3C2/Si纳米复合材料作为锂离子电池负极材料。直径约40纳米的硅纳米粒子固定在Ti3C2纳米片上。这种阳极材料具有高比容量、优异的倍率性能和长循环寿命。此外,Ti3C2 MXene的伪电容行为对电池容量非常重要。上述结果最近发表在《能源材料》杂志上。
图解指南
图1。Ti3C 2/硅纳米复合材料制备示意图
图2。Ti3C 2/硅纳米片的形貌表征
A-d分别是et-Ti3C2、in-Ti3C2、Ti3C2/SiO2和Ti3C2/Si的扫描电镜图像
e和f是Ti3C2/Si的透射电镜图像
G.碳化钛/硅的HRTEM图
钛酸锂/硅的SAED图
电磁图和元素分布图
图3。详细的结构和成分表征
A.XRD图谱
B.傅里叶变换红外光谱图
硅碳合金的XPS图
国防部XPS图
图4。电化学性能和储锂性能
A.碳化钛/硅电极的初始循环伏安曲线
B.硼化钛/硅电极充放电电压曲线
C.ti3c2、ti3c 2/二氧化硅、ti3c 2/硅和纯硅电极的比容量
D.Ti3C2、Ti3C 2/二氧化硅和Ti3C 2/硅电极的倍率性能
E.二氧化钛/硅电极循环性能
图5。电化学行为的动力学分析
A.电化学阻抗谱图
B.低频区Zre与ω1/2的关系
C.不同扫描速率下Ti3C 2/硅电极的循环伏安曲线
D.峰值电流与扫描速率的关系
E.电容对锂存储性能的贡献
F.不同扫描速率下的电容贡献率
总结
研究小组将四乙氧基硅烷的可控水解与低温镁热还原反应相结合,制备了Ti3C 2/硅纳米复合材料。该材料具有良好的活性表面积、电荷转移速率、结构稳定性和储锂性能。Ti3C2 MXene不仅为锂离子和电子提供了快速的转移通道,还缓解了硅阳极的体积膨胀效应。此外,Ti3C2 MXene的伪电容行为和大量的表面氧化还原反应点在提高储锂性能方面起到了协同作用。Ti3C2/Si电极的低温制备方法和电池-电容器双模储能机制有望应用于新型高性能电极的设计。
文献链接:低温还原策略合成高性能锂离子电池si/ti3c2mxene复合阳极。,2019,doi: 10.1002/aenm.201901065)
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