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MXene复合微弧氧化膜负极材料的制备及其在锂离子电池中的应用

微弧氧化；MXene；锂离子电池；负极材料

高性能负极材料的研究及规模化制备是锂离子电池的主要发展方向之一，微弧氧化技术能在钛基金属表面原位生长多孔状氧化膜，是一种高效率、低成本的TiO₂基负极材料制备方法。TiO₂作为锂离子电池负极时具有优异的循环稳定性和安全性，但低的比容量和电导率限制了其进一步应用。本文通过调控微弧氧化的等离子体放电特性，将电解质分解产生的高容量SiO₂纳米颗粒（SiO₂ NPs）和高电导率的二维过渡金属碳/氮化物（MXene）引入TiO₂膜中，在钛基金属表面原位构筑一种TiO₂/SiO₂ NPs/MXene复合膜，并研究了该复合膜作为锂离子电池负极材料时的电化学性能。结果表明，随微弧放电时间增加，等离子体电子温度从4000 K逐渐升高并稳定在6000 K左右，其变化趋势与放电发出的声信号相似。在微弧放电条件下，多层MXene被裂解后可有效减少片层之间的堆叠，使其呈针状均匀分布在TiO₂膜中。在0.1 A g^-1的电流密度下循环200圈后，电池比容量可达2000 mAh g^-1以上；TiO₂、SiO₂ 和MXene均与锂离子发生了可逆氧化还原反应，库仑效率接近100%；经0.05 A g^-1至2 A g^-1的电流密度循环后，比容量可恢复到初始比容量的97%。微弧氧化形成的多孔状复合膜为锂离子的扩散提供了大量内部通道，提高了锂离子的扩散速率和反应动力学特性。该复合膜充分利用了TiO₂高的结构稳定性、SiO₂纳米颗粒的高容量特性以及MXene高的导电性，从而同步获得高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能等电化学性能。