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Fluorinated MXene-engineered LiF-rich solid electrolyte interphase and hierarchical confinement strategy enabling high performance micro-sized silicon anodes

材料科学 相间 硅 阳极 电解质 纳米技术 化学工程 光电子学 电极 化学 遗传学 生物 工程类 物理化学
作者
Lin Sun,Lijun Wang,Tianqi Wang,Yanyan Liu,Yunjing Qiao,Xuetao Lu,Qi Miao,Zhong Jin
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:19 (2): 94908024-94908024 被引量:6
标识
DOI:10.26599/nr.2025.94908024
摘要

Silicon (Si) anodes, despite their exceptional theoretical capacity (~4200 mAh g-1), face critical challenges including severe volumetric expansion (>300%) during lithiation and poor intrinsic conductivity, resulting in structural pulverization and unstable solid-electrolyte interphase (SEI) formation. This work demonstrates a hierarchical confinement strategy integrating self-assembly and chemical vapor deposition (CVD) to construct microporous silicon-based composite anodes (mpSi-MGC) synergistically encapsulated by few-layer Ti3C2Tx MXene, reduced graphene oxide (rGO), and CVD carbon coating. The multi-confinement architecture not only enhances mechanical stability but also optimizes electron (e-)/ lithium ions (Li+) transport kinetics. Systematic ex situ analysis reveals that fluorine-functionalized groups in Ti3C2Tx significantly boost Li+ diffusion coefficients by promoting LiF-rich SEI formation, while the exterior CVD-carbon coating further stabilizes the hybrid structure. The optimized mpSi-MGC delivers exceptional Li storage performance: a high reversible initial capacity of 1800 mAh g-1 at 0.2 A g-1, remarkable cyclability with 992 mAh g-1 retained after 200 cycles at 1.0 A g-1, and superior rate capability (818 mAh g-1 at 3 A g-1). This multi-scale confinement design effectively mitigates volume expansion in micron-sized Si while enhancing e-/Li+ conductivity, offering a promising paradigm for developing high-energy-density lithium-ion batteries (LIBs) through rational structural engineering and interfacial optimization.
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