CEJ综述：MXenes基材料在钾电中的研究进展

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北科纳米可提供 MXenes基材料（可定制）

作为可充电二次电池，锂离子电池（LIBs）在众多的可穿戴电子器件与电动汽车领域中得到了广泛的使用，这得益于其高工作电压、高能量密度、长循环寿命和环境友好性等优势。然而，锂资源的稀缺与不均匀分布增加了LIB的成本，限制其进一步的应用。为了满足社会发展的需要，继续研发具有低成本和高性能的下一代二次电池。钠和钾因为与锂相似的物理化学性质以及二者在地球中的丰度远远高于锂，钠离子电池（SIBs）与钾离子电池（PIBs）已经成为了研究重点。相比于Na/Na⁺（-2.71 V, vs SHE），K/K⁺（-2.93 V, vs SHE）标准电位更接近于Li/Li⁺（-3.04 V, vs SHE），因此PIBs通常具有更高的工作电压以及能量密度。

MXenes作为一类新型的二维（2D）材料，因其独特的结构与电子性质，在金属离子电池中具有巨大的应用潜力。尤其值得一提的是，K⁺在MXene上的扩散势垒非常低，证明了MXene在应用于PIBs负极材料时会具有杰出的倍率性能。然而，因其较低的理论储钾容量，单纯的MXene不太适合作为钾电的负极材料。近日，暨南大学李宏岩教授与广州大学牛利教授在国际知名学术期刊 Chemical Engineering Journal上发表题目为： MXenes: Advanced materials in potassium ion batteries的综述文章，总结了不同改进的MXenes基电极材料在PIBs中的应用，分析了结构与电化学性能的关系。并对MXenes在PIBs中未来的发展方向进行展望。

图1.锂，钠和钾在地壳中的丰度；锂电，钠电和钾电在能量密度方面的对比；不同MAX相及其相应的MXenes；MXenes不同的应用。

图2. 单层V₃C₂可能吸附的位点；对Li，Na，K和Ca的吸附能以及最大容量；含有O基官能团的MXenes对不同离子的吸附能以及相应的理论容量。

图3. Ti₃CNT_z电极的电化学性能与物理性质。

图4. PDDA-NPCN/Ti₃C₂复合物的组装过程；MoSe₂/MXene@C电极的电化学性能。

图5. a-Ti₃C₂MNRs的合成过程及相应的物理表征与电化学性能测试。

图6. TiO_xN_y/C的合成过程以及电化学性能；TiO₂/RGO复合物的合成过程、物理表征以及电化学性能。

到目前为止，MXenes在PIBs中应用的文献还不是很多，这主要是由于不够成熟的技术与有限的MXenes的多样性。随着制备技术的逐渐成熟，MXenes在PIBs中的应用仍然具有较大潜力。主要体现在以下几个方面：

i) 不同的MXenes的储钾容量、电子，离子传输性能都是不同的，改进或研发新型的MXenes制备方法是提升MXene材料最重要的一个因素；

ii）即使MXene是可以被成功地制备，其大孔及微孔的形貌也是不容忽视的，这对其性能更有着很大的影响。在所有的改进方法中，将MXene与其他材料复合是一种主要的提升MXenes储钾容量并稳定其结构的方式；

iii）异质原子掺杂被证明是一种有效的改进方法，可以提升MXenes的性能，然而目前相关的研究还处于初始阶段。

iv）将MXene转化为其他负极材料也是一种有效的方式，相似的做法已经被应用在钠电和锂电中，这种方式制备的MXene衍生材料也可以作为一种有潜力的电极材料。

此外，尽管锂电具有优异的储能能力，但考虑到有限的锂资源，大批量使用MXenes还很困难。在其他的金属离子电池中，二价或三价金属离子电池具有高容量的优势，但是Zn²⁺， Mg²⁺，Ca²⁺，Al³⁺以及其他多价金属离子与电极材料强烈的相互接触，会导致迟缓的动力学性能。因此，PIBs已经成为一类非常具有潜力的二次电池，因其具有与LIBs接近的工作电压以及价格优势。我们MXenes应用于钾电在不远的将来会被更加广泛且深入的研究。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126565