journal article·2025-12Open access

Tailoring Oxide/MAX Phase Nanocomposites via Low‐Temperature Oxidation for Lithium‐Ion Battery Anodes: Peeking Behind the Electrochemical Mechanism via In Situ Investigations

Irene Ostroman, Nicholas Vallana, Antonio Gentile, Stefano Marchionna, Omar Perego, Chiara Ferrara, Andrew Fitch, Martina Fracchia, Nicolò Pianta, Andrea Giacomo Marrani, Taewon Kim, Changhyun Park, Chanhee Lee, Hyun‐Wook Lee, Lorenzo Stievano, Riccardo Ruffo

Advanced Science· Volume 12· Issue 45

Abstract

Abstract This study explores the potential of MAX phase/oxide nanocomposites as negative electrodes for lithium‐ion batteries. The main objective is to enhance the stability and performance of tin oxide‐based electrodes by reducing volume changes upon cycling. The approach involves the synthesis of a Sn‐containing MAX phase (Ti 3 Al 0.3 Sn 0.7 C 2 ) followed by oxidation at different temperatures (600, 700, and 850 °C). Comprehensive characterization reveals that partial oxidation produces nanocomposites containing titanium and tin oxide nanoparticles with different compositions depending on the annealing temperature. The residual presence of the MAX phase contributes to the stability of the electrode, buffering volume changes during cycling. The sample oxidized at 700 °C exhibits the best trade‐off between specific capacity (350 mAh g −1 at 50 mA g −1 ) and reversibility (99.2% Coulombic efficiency), and it delivers a reversible specific capacity of 133 mAh g −1 at 2000 mA g −1 which is superior to the high‐rate performance typically reported for graphite. In situ studies provide insights into the mechanism of (de)lithiation, confirming the reduction of Sn(IV) to metallic Sn and the subsequent formation of Li‐Sn alloys, while the residual MAX remains electrochemically inactive, preserving structural integrity and transport properties.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Advancements in Battery Materials · MXene and MAX Phase Materials · Advanced Battery Materials and Technologies

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Materials Science Università degli Studi di Milano‐Bicocca Via Cozzi 55 Milano 20125 Italy

Ricerca sul Sistema Energetico ‐ RSE S.p.A. Via R. Rubattino 54 Milano 20134 Italy

National Reference Center for Electrochemical Energy Storage (GISEL) Via G. Giusti 9 Firenze 50121 Italy

INSTM Consorzio Interuniversitario per la Scienza e Tecnologia dei Materiali Via G. Giusti 9 Firenze 50121 Italy

European Synchrotron Radiation Facility 71 Avenue des Martyrs Grenoble 38000 France

Department of Chemistry Università di Pavia Via T. Taramelli 12 Pavia 27100 Italy

Department of Chemistry Università di Roma “La Sapienza” p.le A. Moro 5 Roma I‐00185 Italy

Department of Materials University of Oxford Oxford OX1 3PH UK

School of Energy and Chemical Engineering Ulsan National Institute of Science and Technology 50 UNIST‐gil Ulsan 44919 Republic of Korea

ICGM CNRS, ENSCM Univ. Montpellier Montpellier 34293 France

Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E) CNRS Amiens 80039 France

Funding

Ministero dell'Università e della Ricerca

References (97)

Show source-provided references
1. 10.1016/j.ensm.2020.12.02710.1016/j.ensm.2020.12.027 ↗
2. 10.1016/j.carbon.2021.07.05310.1016/j.carbon.2021.07.053 ↗
3. 10.1002/adfm.20220079610.1002/adfm.202200796 ↗
4. 10.1016/j.jechem.2021.08.00110.1016/j.jechem.2021.08.001 ↗
5. 10.1038/s41586-022-05281-010.1038/s41586-022-05281-0 ↗
6. 10.1039/C9CS00728H10.1039/C9CS00728H ↗
7. 10.1021/acsenergylett.3c0113410.1021/acsenergylett.3c01134 ↗
8. 10.1016/j.ensm.2023.02.02510.1016/j.ensm.2023.02.025 ↗
9. 10.1149/2.0251701jes10.1149/2.0251701jes ↗
10. 10.1002/ange.20220677010.1002/ange.202206770 ↗
11. 10.1016/j.cej.2025.16517610.1016/j.cej.2025.165176 ↗
12. 10.1038/3510464410.1038/35104644 ↗
13. 10.1016/j.est.2023.10986210.1016/j.est.2023.109862 ↗
14. 10.1016/j.jpowsour.2025.23789310.1016/j.jpowsour.2025.237893 ↗
15. 10.1021/acsami.5c0094810.1021/acsami.5c00948 ↗
16. 10.1039/c1ee01598b10.1039/c1ee01598b ↗
17. 10.1016/j.jelechem.2023.11762510.1016/j.jelechem.2023.117625 ↗
18. 10.1016/j.apsadv.2022.10023310.1016/j.apsadv.2022.100233 ↗
19. 10.1007/BF0237570710.1007/BF02375707 ↗
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21. 10.1021/acsami.0c1793610.1021/acsami.0c17936 ↗
22. 10.1016/j.est.2020.10209610.1016/j.est.2020.102096 ↗
23. 10.1039/D3CC03799A10.1039/D3CC03799A ↗
24. 10.1021/acsami.1c1987910.1021/acsami.1c19879 ↗
25. 10.1021/nl803632310.1021/nl8036323 ↗
26. 10.1016/j.jpowsour.2008.12.04710.1016/j.jpowsour.2008.12.047 ↗
27. 10.1126/science.aan828510.1126/science.aan8285 ↗
28. 10.1002/admt.20240205810.1002/admt.202402058 ↗
29. 10.1021/acsaem.8b0210310.1021/acsaem.8b02103 ↗
30. 10.1002/smll.20170273710.1002/smll.201702737 ↗
31. 10.1016/j.est.2023.10817810.1016/j.est.2023.108178 ↗
32. 10.1002/aenm.20190303010.1002/aenm.201903030 ↗
33. 10.1016/j.cis.2025.10354310.1016/j.cis.2025.103543 ↗
34. 10.1016/j.est.2025.11713210.1016/j.est.2025.117132 ↗
35. 10.1016/j.matchemphys.2020.12366910.1016/j.matchemphys.2020.123669 ↗
36. 10.1016/j.cej.2024.15731710.1016/j.cej.2024.157317 ↗
37. 10.1016/j.jallcom.2019.15340410.1016/j.jallcom.2019.153404 ↗
38. 10.1016/j.compositesb.2022.11015110.1016/j.compositesb.2022.110151 ↗
39. 10.1016/j.compositesb.2019.02.06310.1016/j.compositesb.2019.02.063 ↗
40. 10.1021/acsaem.2c0245610.1021/acsaem.2c02456 ↗
41. 10.1557/s43578-021-00313-310.1557/s43578-021-00313-3 ↗
42. 10.1111/jace.1901010.1111/jace.19010 ↗
43. 10.1002/smtd.20230050310.1002/smtd.202300503 ↗
44. 10.1016/j.jpowsour.2024.23554310.1016/j.jpowsour.2024.235543 ↗
45. 10.1016/j.vacuum.2023.11222110.1016/j.vacuum.2023.112221 ↗
46. 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.10.03010.1016/j.jeurceramsoc.2021.10.030 ↗
47. 10.1007/s40145-021-0535-510.1007/s40145-021-0535-5 ↗
48. 10.1002/adem.20200119110.1002/adem.202001191 ↗
49. 10.1016/j.matlet.2022.13322710.1016/j.matlet.2022.133227 ↗
50. 10.1016/j.corsci.2020.10919710.1016/j.corsci.2020.109197 ↗
51. 10.1016/j.fmre.2021.10.01010.1016/j.fmre.2021.10.010 ↗
52. 10.1016/j.scriptamat.2007.09.00610.1016/j.scriptamat.2007.09.006 ↗
53. 10.1111/jace.1678010.1111/jace.16780 ↗
54. 10.1021/acs.nanolett.1c0280910.1021/acs.nanolett.1c02809 ↗
55. 10.1088/0305-4608/11/8/02510.1088/0305-4608/11/8/025 ↗
56. 10.1021/acs.jpcc.0c0741310.1021/acs.jpcc.0c07413 ↗
57. 10.1016/S0022-3697(00)00268-710.1016/S0022-3697(00)00268-7 ↗
58. 10.1116/1.57766910.1116/1.577669 ↗
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60. 10.1016/j.msec.2014.10.07310.1016/j.msec.2014.10.073 ↗
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63. 10.1016/S0368-2048(99)00067-510.1016/S0368-2048(99)00067-5 ↗
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66. 10.1016/j.jallcom.2013.05.05710.1016/j.jallcom.2013.05.057 ↗
67. 10.1116/1.124772310.1116/1.1247723 ↗
68. 10.1016/j.apsusc.2020.14573510.1016/j.apsusc.2020.145735 ↗
69. 10.1002/(SICI)1096-9918(19960916)24:9<662::AID-SIA155>3.0.CO;2-C10.1002/(SICI)1096-9918(19960916)24:9<662::AID-SIA155>3.0.CO;2-C ↗
70. 10.1016/j.jallcom.2021.16097410.1016/j.jallcom.2021.160974 ↗
71. 10.1016/j.tsf.2005.04.01410.1016/j.tsf.2005.04.014 ↗
72. 10.1116/1.57990110.1116/1.579901 ↗
73. 10.1103/PhysRevB.46.246010.1103/PhysRevB.46.2460 ↗
74. 10.1116/1.124785210.1116/1.1247852 ↗
75. 10.1116/1.124785110.1116/1.1247851 ↗
76. Stievano L. · 2012 · 10
77. 10.1016/S1005-0302(10)60064-310.1016/S1005-0302(10)60064-3 ↗
78. 10.1038/srep2358510.1038/srep23585 ↗
79. 10.1016/j.jpowsour.2021.23039110.1016/j.jpowsour.2021.230391 ↗
80. 10.1007/s11581-022-04550-210.1007/s11581-022-04550-2 ↗
81. 10.1016/j.jpowsour.2022.23227210.1016/j.jpowsour.2022.232272 ↗
82. 10.1007/s10008-020-04519-z10.1007/s10008-020-04519-z ↗
83. 10.1016/j.jcis.2020.12.03010.1016/j.jcis.2020.12.030 ↗
84. 10.3390/nano1204070010.3390/nano12040700 ↗
85. 10.1016/j.apsusc.2020.14750810.1016/j.apsusc.2020.147508 ↗
86. 10.1016/j.jallcom.2019.15211410.1016/j.jallcom.2019.152114 ↗
87. 10.1016/j.jallcom.2019.15303610.1016/j.jallcom.2019.153036 ↗
88. 10.1149/1945-7111/aba70510.1149/1945-7111/aba705 ↗
89. 10.1016/j.jallcom.2022.16442810.1016/j.jallcom.2022.164428 ↗
90. 10.1016/j.jpowsour.2018.12.03510.1016/j.jpowsour.2018.12.035 ↗
91. 10.1021/acsomega.9b0056310.1021/acsomega.9b00563 ↗
92. Stievano L. · 2013 · 10
93. 10.1107/S160057751801843X10.1107/S160057751801843X ↗
94. 10.1107/S090904950001696410.1107/S0909049500016964 ↗
95. 10.1107/S090904950501271910.1107/S0909049505012719 ↗
96. 10.1107/S090904959600565110.1107/S0909049596005651 ↗
97. 10.1016/0368-2048(76)80015-110.1016/0368-2048(76)80015-1 ↗