硅(Si)具有較高的理論容量和較低的工作電位，在鋰離子電池(LIBs)中顯示出巨大的潛力。然而，其固有的低電導率和大體積膨脹在鋰化過程中導致了顯著的容量衰減和較差的速率能力。本文提出了一種雙約束策略，通過將Si納米粒子均勻錨定在MXene/ZIF-8衍生的碳框架內來改善Si的鋰存儲性能。在Si/MXene@C復合材料中，Si納米顆粒分別通過形成的界面Si−O−Ti和Si−C鍵與MXene和碳緊密結合，有利于緩解Si的體積膨脹，促進界面電荷轉移。因此，Si/MXene@C復合材料在高容量(100 mA g
−1時1006.1 mAh g
−1)、穩(wěn)定的循環(huán)性能(100 mA g
−1時150次循環(huán)后862.9 mAh g
−1)和優(yōu)越的速率能力(5 A g
−1時233.3 mAh g
−1)方面展示了優(yōu)異的鋰存儲性能，表明其作為下一代高性能鋰電池陽極材料的潛力。
圖1 Si/MXene@C復合材料的制備過程示意圖。
圖2. (a) Si、(b) Si@C、(c) Si/MXene和(d) Si/MXene@C的SEM圖像。Si/MXene@C的(e, f) TEM， (g) HRTEM， (h) SAED和(i) STEM圖像以及Si, Ti, C和O的相應元素映射圖像。
圖3 (a) XRD圖案，(b)拉曼光譜，和(c) Si/MXene@C, Si/MXene, Si@C和Si的高分辨率Si 2p XPS光譜。(d) Si/MXene@C、Si和MXene的高分辨率O 1s光譜。Si/MXene@C的高分辨率(e) C 1s和(f) Ti 2p光譜。
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圖4. (a) 0.1 mV s
−1的CV曲線和(b) 100 mA g
−1的Si/MXene@C在最初三個循環(huán)中的恒流充放電曲線。在(c) 100 mA g
−1和(e) 1 A g
−1的電流密度下，Si/MXene@C, Si/MXene和Si@C的循環(huán)性能。(d) Si/ MXene@C的速率性能。
圖5。(a) Si/MXene@C和(b) Si在1 ag
−1 100個循環(huán)之前和之后的俯視圖和橫斷面SEM圖像。
相關科研成果由北京化工大學有機-無機復合材料國家重點實驗室Bin Xu等人于2022年發(fā)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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
