综述：MXene基负极材料用于金属离子电池

【研究背景】

2D金属碳化物/氮化物(MXenes)是一种优异的具有电化学活性的赝电容材料。多层MXenes与石墨烯类似，但是具有更大的层兼具和表面官能团，使其易于分散在水中并进行一系列的反应不损失其导电性。MXenes较大的层间距可以使较大的离子进行插层，进而形成复合材料，如石墨烯、金属氧化物、过渡金属硫化物和硅等，这些复合电极能在几千次的循环后依旧保持在较高的速率下具有优异的容量。自从2011年以来，MXene在储能领域的研究成指数增长，因此，对于刚接触MXenes领域的研究者们来说，有必要系统的了解目前的研究现状。近日，英国曼彻斯特大学Mark A. Bissett和Suelen Barg在电池领域国际著名学术期刊Batteries & Supercaps上发表题为A Review of MXene-Based Anodes for Metal-Ion Batteries的综述文章。

【图文导读】

图1. 石墨烯负极与MXene负极最主要的区别。

表1. 纯MXene电极在锂电中的应用。

图2. 三明治结构的Na_0.23TiO₂/Ti₃C₂电极及其电化学性能，Li₄Ti₅O₁₂-Ti₃C₂T_X的离子与电子传输示意图。

图3. MoS₂/Ti₃C₂@C纳米复合物的合成过程及其电化学性能测试。

表2. 过渡金属硫化物与MXene复合电极在锂电中的应用。

图4. Ti₃C₂T_X与CNTs通过微波辐射的方式形成复合物，及其电化学性能的测试。

表3. 碳、硅与MXene复合电极在锂电中的应用。

图4. Ti₃C₂T_X与Si复合电极的合成过程及其电化学性能的测试。

图5.MXene胶体溶液作为前驱体，通过不同方式形成纳米带，褶皱的颗粒及空心球。

图6. MXene基电极在钠离子电池的应用。

图7. rGO@Ti₃C₂T_X泡沫的电化学性能测试。

【总结与展望】

因为过渡金属的存在，通常在具有较高容量的情况下无法保证较高的倍率性能与长时间循环稳定性，虽然MXene比较致密且比石墨烯昂贵，但当MXenes作为柔性导电衬底或多功能粘结剂的时候，在锂电的应用中具有较大的潜力。为了完全的利用整个MXene纳米片，必须要保证足够的层间距，通常通过分层或扩大层间距来保障金属的镀层以及降低深度吸附位点的插层势垒，尤其是对于较大的钠离子电池与钾离子。虽然多孔结构已经被证明可以有效地提高容量，但我们对于孔径尺寸，形状以及空间频率的理解还远远不够深入，这些是我们平衡多孔性与体检容量与电子导电性损失之间关系的重中之重。印刷MXenes的研究已经在近期取得一定进展，这或许可以帮助我们研究MXene电极的微观结构。

文献链接：

http://dx.doi.org/10.1002/batt.201900165