锂离子电池用Si@MXene复合负极：面向高性能储能的界面工程、结构设计及机理研究
发布时间：2026-06-03 17:51:45 点击： 次
硅因其超高理论容量（4200 mAh g-1）而成为下一代锂离子电池极具远景的负极资料。-1然而，其实践运用受到体积胀大率高、固态电解质界面（SEI）不安稳及本征导电性差的严重制约。硅@MXene复合负极经过将硅与高导电性、机械强度优异的MXene骨架结合，已成为处理这些挑战的有用战略。本文从机理角度对硅@MXene系统进行分析，要点讨论界面工程、结构设计和组成战略对电化学功能的调控效果。MXene资料可增强电子传输、应力缓冲和SEI安稳性，而核壳结构、多孔结构和层状结构等先进构型进一步提高了循环安稳性和倍率功能。经过密度泛函理论（DFT）研讨，要点阐释了MXene外表终端基团怎么调控界面电荷转移和锂+分散。虽然取得了这些进展，但仍存在一个关键挑战：大多数研讨改进了循环安稳性，但未能处理初始循环期间的锂损失问题，或在实践完整电池条件下验证功能。本总述指出了这些局限性，并建立了一个将界面化学、结构设计和实践功能联系起来的统一结构。未来的进展需要向界面操控和系统级设计改变，包含可扩展的MXene组成、准确的外表化学调控以及实践运转条件下的验证。这些方向对于将Si@MXene复合负极从实验室研讨转化为实践储能运用至关重要。
因为严重的环境恶化及对传统化石燃料依赖度的增加，太阳能、风能和潮汐能等可继续可再生动力正快速发展[1,2]。然而，这些不安稳且间歇性的动力需要有用的储能技术(ES)，才能为电网存储系统、电动汽车和便携设备等运用提供牢靠可控的电力供应[[3], [4], [5]]。锂离子电池（LIBs）在当时储能技术中具有明显优势，因其具备高能量密度、长循环安稳性且无回忆效应[6,7]。此外，其低自放电率与长运用寿命进一步推动了其在现代储能运用中的广泛普及[8,9]。
然而石墨负极存在372 mAh g-1的理论容量上限这一固有缺陷-1已无法满意新一代需求，这一点从日益增长的进步能量密度和延长运用寿命的需求中得以印证[[10], [11], [12], [13], [14], [15]]。硅(Si)作为锂离子电池潜在负极资料，是下一代高能储能的主要竞争者。其优势包含：(i) 相对较低的锂化渠道(Li/Li+为0.3V)+), 其具备宽作业电压窗口特性并可按捺锂枝晶生长[16,17]。(ii) 4200 mAh g-1锂化至Li22Si4是一种极高的理论容量，超越石墨的规模；(iii) 具有高天然丰度、低毒性和环境相容性，可完成规模化经济利用[[18], [19], [20], [21], [22]]。虽然存在这些优势，但在锂吸附进程中300%的巨大体积扩展会导致机械功能退化、不安稳的固体电解质界面构成以及颗粒粉化，最终造成循环安稳性低下和容量快速衰减。此外，电荷转移动力学受限于硅固有的低电导率(10–3S cm-1[[23], [24], [25], [26], [27], [28]]）。硅氧化物（SiOx，0 < x ≤ 2）凭借其高理论容量（2200–3850 mAh g-1）和低体积改变率（200%），被用作这些问题的代替计划。然而，SiOx仍难以完成安稳且快速的锂+存储功能。如图2所示，这些降解机制一起导致了容量的快速衰减和低库仑功率。从基本原理来看，硅的锂化和脱锂进程涉及多种锂硅合金（如Li12Si7, Li7Si3, Li13Si4, 以及Li22Si5) [29]:
放电进程：Si(crystalline)+
图文摘要
图中展示了硅@碳化钛复合负极中的多尺度协同效应：导电的碳化钛纳米片经过界面化学键（如Ti-O-Si键）与硅纳米颗粒发生强相互效果。这种结构完成了应力均匀散布，下降了锂+该结构设计能有用完成迁移势垒下降与电子传输增强，经过高效缓冲体积胀大、提高固体电解质界面（SEI）安稳性并完成快速反应动力学，然后取得高容量与长循环安稳性。因为严重的环境恶化及对传统化石燃料依赖度的增加，太阳能、风能和潮汐能等可继续可再生动力正快速发展[1,2]。然而，这些不安稳且间歇性的动力需要有用的储能技术(ES)，才能为电网存储系统、电动汽车和便携设备等运用提供牢靠可控的电力供应[[3], [4], [5]]。锂离子电池（LIBs）在当时储能技术中具有明显优势，因其具备高能量密度、长循环安稳性且无回忆效应[6,7]。此外，其低自放电率与长运用寿命进一步推动了其在现代储能运用中的广泛普及[8,9]。
然而石墨负极存在372 mAh g-1的理论容量上限这一固有缺陷-1已无法满意新一代需求，这一点从日益增长的进步能量密度和延长运用寿命的需求中得以印证[[10], [11], [12], [13], [14], [15]]。硅(Si)作为锂离子电池潜在负极资料，是下一代高能储能的主要竞争者。其优势包含：(i) 相对较低的锂化渠道(Li/Li+为0.3V)+), 其具备宽作业电压窗口特性并可按捺锂枝晶生长[16,17]。(ii) 4200 mAh g-1锂化至Li22Si4是一种极高的理论容量，超越石墨的规模；(iii) 具有高天然丰度、低毒性和环境相容性，可完成规模化经济利用[[18], [19], [20], [21], [22]]。虽然存在这些优势，但在锂吸附进程中300%的巨大体积扩展会导致机械功能退化、不安稳的固体电解质界面构成以及颗粒粉化，最终造成循环安稳性低下和容量快速衰减。此外，电荷转移动力学受限于硅固有的低电导率(10–3S cm-1[[23], [24], [25], [26], [27], [28]]）。硅氧化物（SiOx，0 < x ≤ 2）凭借其高理论容量（2200–3850 mAh g-1）和低体积改变率（200%），被用作这些问题的代替计划。然而，SiOx仍难以完成安稳且快速的锂+存储功能。如图2所示，这些降解机制一起导致了容量的快速衰减和低库仑功率。从基本原理来看，硅的锂化和脱锂进程涉及多种锂硅合金（如Li12Si7, Li7Si3, Li13Si4, 以及Li22Si5) [29]:
放电进程：Si(crystalline)+