1成果简介
硅（Si）作为先进锂离子电池（LIB）的负极材料备受关注，但要设计出具有低结构应变和高导电性的高稳定性硅基复合材料仍具有挑战性。本文，北京科技大学 白智明 副教授、闫小琴 教授团队在《Energy Fuels》期刊发表名为“Design of Supported–Coated Structure Silicon/Carbon Composites Using Industrial Waste Micrometer-Sized Silicon for an Advanced Lithium-Ion Battery Anode”的论文，研究展示了一种新型硅碳负极材料（Si/G@TNS-60），它由回收的线切割多晶硅废料制成，具有内部锚定负载和外部柔性二维（2D）材料包裹的独特结构。石墨（G）成分可作为导电锚载体，增强电子导电性，防止硅颗粒粉化和电接触损耗。此外，MXene（TNS）保护层具有机械柔韧性，可隔离硅与电解质的直接接触以减少副反应，改善离子和电子扩散动力学，并确保结构的稳定性。
因此，Si/G@TNS-60 ·电极提高了初始库仑效率（ICE，78.8%），具有优异的速率性能（2 C 时容量为 485.3 mAh g-1），并且在 0.5 C 下可持续耐久使用 500 次，容量保持率为 83.5%。对反应动力学的研究揭示了混合存储机制和快速锂扩散系数。此外，原位扫描电子显微镜（SEM）显示了最小的体积变化，并保持了电极结构的完整性。令人印象深刻的是，以化学溶液技术预锂化的 Si/G@TNS-60 阳极和LiNi+1/3Co1/3Mn1/3O2阴极为基础的全电池显示，ICE 提高了 88.5%，并保持了出色的循环稳定性。这项工作从根本上提出了一种简便有效的结构工程策略，凸显了线切割多晶硅废料在先进 LIB 技术中的应用潜力。
2图文导读
图1.（a） Si/G@TNS复合材料合成示意图。（b） Si、TNS 和 Si/G@TNS-60 的 XRD 图谱和 （c） 拉曼光谱。Si/G@TNS-60复合材料的高分辨率XPS光谱：（d）Si 2p，（e）Ti 2p，（f）O 1s和（g）C 1s。
图2.（a） Si/G、（b） 纯 TNS 和 （c） Si/G@TNS-60 复合材料的 SEM 图像。Si/G@TNS-60复合材料的（d）TEM图像、（e）高分辨率TEM图像、（f）SAED图案和（g-k）SEM-EDS元素映射图像。
图3。（a） 在0.01和2 V之间的0.1 mV s–1下的前五条CV曲线，（b）在0.1 C下的前3个循环中的GCD曲线，以及（C）Si/G@TNS-60电极的倍率性能。（d） 0.2℃下的循环试验。（e）新电极的EIS图案。（f） 在0.5摄氏度下的长循环性能（1摄氏度=4.2 A g–1）。
图4。（a） 不同扫描速率下的CV曲线，（b）log（i）和log（v）曲线之间的线性关系，（c）从0.7 mV s–1下测量的CV曲线获得的电容电流，（d）不同扫描速率的电容控制百分比，（e）GITT曲线，以及（f）计算的Si/G@TNS-60电极的Li扩散系数。（g和h）n-Si和（k和l）Si/g@TNS-60电极表面在200次循环前后的非原位SEM图像。（i和j）n-Si和（m和n）Si/G@TNS-60在200次循环前后的截面SEM图像+
图5。（a）原始电极和（b）TNS-60预硫化Si/G电极的SEM图像。（c） LAC溶液中电极预硫化示意图。（d） NCM111//Si/G@TNS-60全电池的示意图。（e） 0.1 C下全电池的第一条GCD曲线。（f）NCM111//预硫化Si/G@TNS-60全电池在0.2 C下的循环稳定性（1 C=160 mA G–1）。
3小结
总之，我们采用简单的球磨和自组装工艺成功制备了新型支撑涂层 Si/G@TNS-60 结构，该工艺包括将 Si 固定在石墨上，并将其限制在柔性 TNS 保护层内。内部石墨和外部 TNS 保护层的协同效应提高了硅的电子导电性，防止了硅颗粒的粉碎，并确保了复合材料的结构完整性。因此，优化后的 Si/G@TNS-60 具有出色的电化学锂存储特性，包括 0.1 C 时的初始比容量高达 1833.4 mAh g+-1，2 C 时的快速速率响应为 485.3 mAh g-1，优异的循环寿命（500 次循环后容量为 762.9 mAhg-1）以及 83.5% 的容量保持率。
对动态行为的分析表明，速率性能的提高归因于混合存储机制和锂扩散系数的增强。此外，原位扫描电子显微镜图像显示了较小的体积变化率（40.1%），这证明其对大体积变化引起的破坏性应力的抵抗能力显著增强。此外，采用预锂化 Si/G@TNS-60 阳极和 NCM111 阴极的全电池显示出更好的 ICE 和稳定的循环性能。这项研究无疑为开发用于先进锂离子电池阳极的耐用二维涂层硅碳复合材料提供了宝贵的启示。
文献：
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c00562
来源：材料分析与应用