ACS Nano：MXene和石墨烯双包覆硅结构实现超高面容量

硅负极具有高的理论容量，有望应用于下一代锂离子电池(LIB)。然而，它们巨大的体积膨胀（~300%）和较差的导电性导致其循环稳定性较差。

近日, 广东工业大学的李运勇教授等人开发了一种双包覆Si结构，即三维(3D) Ti₃C₂T_x MXene和石墨烯双包覆Si(HD-Si@Ti₃C₂T_x@G)。由于具有高的密度和电导率，HD-Si@Ti₃C₂T_x@G负极在0.1 A g^-1下显示出5206 mAh cm^-3的超高体积容量，且能够稳定循环800次。

图 1、高密度HD-Si@Ti₃C₂Tx@G负极合成示意图（A），其微观结构和厚电极的储锂机制（B），以及优异的电化学性能（C）。

【本文要点】

要点1. HD-Si@Ti₃C₂T_x@G厚电极的3D导电和弹性网络结构不仅可以有效缓解Si的体积变化并防止粉化，还可以提供离子/电子传输通道。

要点2. Ti₃C₂T_x MXene和石墨烯包覆的Si结构可以大大提高Si负极的导电性和利用率。添加少量石墨烯可以实现高的密度(1.6 g cm^-3)和电导率(151 S cm^-1)，并保证良好的电解质渗透和稳定的电极结构，实现高的面积和体积容量。

要点3.  HD-Si@Ti₃C₂T_x@G负极在0.1 A g^-1时具有5206 mAh cm^-3的超高体积容量。在1.0 A g^-1和17.9 mAh cm^-2的大面积容量下具可循环800次。此外，以HD-Si@Ti₃C₂T_x@G负极和LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM 811)正极组装的全电池在0.2 A g^-1下可循环100次。

这项工作提供了一种很好的设计策略，可以大大提高储能材料的体积和面积容量，促进其在可充电电池中的大规模实际应用。

图 2、(A)HD-Si@Ti₃C₂Tx@G负极在0.1 mV s^-1下的CV曲线和(B)0.1 A g^-1下的恒流充放电曲线。(C)纯Si、Ti₃C₂T_x@G和HD-Si@Ti₃C₂Tx@G负极在0.1 A g^-1下的循环稳定性和(D)倍率性能。(E, F)具有不同载量的HD-Si@Ti₃C₂Tx@G负极在1.0 A g^-1下的长循环寿命和面积容量。(G)HD-Si@Ti₃C₂Tx@G//NCM 811全电池的恒流充放电曲线和(H)循环寿命。(I)HD-Si@Ti₃C₂Tx@G负极与文献报道的硅基材料和其他负极材料体积容量、面积容量和电极密度的比较。

Zhonggang Liu, et al. Integrating Dually Encapsulated Si Architecture and Dense Structural Engineering for Ultrahigh Volumetric and Areal Capacity of Lithium Storage. ACS Nano, 2022, https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11298