AM综述：MXenes用于超越锂电的可充电电池

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北科纳米可提供MXene（可定制）

在过去的几年中，关于下一代电池技术（超越锂离子电池）的研究得到了快速的发展。对于这些新兴的电池而言的关键挑战在于缺乏合适的电极材料，这严重地限制了它们进一步的发展。MXenes，作为了一类新型的2D 过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物，以其一些理想的特性被认为是这些新兴电池的具有潜力的电极材料。较大并可控的层间距，卓越的亲水性，超高的导电性，合成的多样性以及丰富的表面化学，这些特性不仅仅使MXenes可以作为有潜力的电极材料，还可以作为新兴电池中的其他部分。最近，沙特阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授在国际顶级材料期刊Advanced Materials上发表了一篇题目为MXenes for Rechargeable Batteries Beyond the Lithium-Ion综述文章，总结了MXenes在各类可充电电池中的研究进展，包括碱金属离子电池（Na⁺, K⁺），多价离子（Mg²⁺，Zn²⁺和Al³⁺）电池等。尤其是合成策略与MXenes在电池中的不同角色，如电极，金属负极的保护层，硫宿主，隔膜改进以及导电添加剂等等，并对未来的发展进行了展望。

图1. MAX及MXene的构成。

表1. 两种合成MXenes的方法以及实验参数。

图2. 不同的刻蚀方法。

图3. Ti₄N₃T_x的熔融盐法刻蚀；ZnCl₂熔融盐法刻蚀Ti₂C₂Cl₂；路易斯酸熔融盐刻蚀MAX相。

表2. 不同刻蚀方法的总结。

图4. Nb₂CT_x的合成。

表3. 不同MAX相以及MXenes晶格参数的总结与比较。

图5. MXenes在锂硫电池应用中的理论计算。

图6. N-Ti₃C₂T_x@S电极的制备过程。

图7. 3D，多孔及褶皱状的MXene制备过程。

图8. MXene@金属（Sb, Bi和Sn）柔性自支撑电极。

图9. 一些典型的MXene基电极的制备过程。

MXenes材料的高导电性与丰富的表面化学特性，在电池中充当不同的角色都具有很大的潜力。虽然，在近些年有关MXenes的研究已经取得了很大的进展，然而一些挑战依然存在，亟待研究人员解决。

1）目前MXene主要的合成方法都要使用HF，这对于实验人员来讲是有害且有毒的。探索低成本，高效且环境友好的刻蚀方法，且使用比HF更安全的其他刻蚀剂对于大规模高质量的MXene制备尤为重要。其中，Lewis酸熔融盐法以及电化学方法就是非常有前景的方式。此外，合成方法还会影响MXene材料的导电性，探索对环境有较小影响的新的刻蚀剂可以进一步提升MXene的导电性。

另一方面，自下而上的方法（如CVD）可以有效地直接合成金属碳化物，因此也可能是合成高质量MXene的有前景的新方法。

2）MXenes丰富的表面化学对如电化学性能等方面有着重要的影响。这些官能团可以选择性地与特定化合物反应，因此影响储能性能。对表面官能团的控制仍旧是一项挑战。谨慎选择刻蚀剂以及刻蚀方法会有所帮助。

3）MXenes在空气中和水中通常会遭受快速氧化的问题。一方面，表面氧化物会提升电化学活性，然而在另一方面，其导电性会降低，并且对MXene内在性质的研究带来复杂性。

4）MXene基电极通常展示出赝电容特性。因其具有高电子导电性，MXene电极通常展示出了杰出的倍率性能，因为是混合型离子电容器的理想选择。

5）尽管MXenes已经在储能领域得到了深入的研究，在不同储能器件（尤其是K⁺/Zn²⁺/Al³⁺电池等）的离子动力学与电荷储存行为还不够全面。这有助于MXene基电极的设计与优化。

6）虽然已经有超过30种MXenes已经在实验室中被合成出来，但研究最深入的依旧是第一个MXene，Ti₃C₂T_x，尽管展示出了独特和有潜力的特性，但是并不意味着它对于所有应用中都是最好的选择。

文献链接：

DOI:10.1002/adma.202004039