MXenes：钾离子电池领域的明星材料

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第一作者：吴源基 通讯作者：李宏岩教授 牛利教授

第一单位：暨南大学 化学与材料学院

文献研究背景及简介

锂离子电池(LIBs)作为可充电二次电池，以其工作电压高、能量密度高、循环寿命长、环保等优点被广泛应用于各种可移动电子设备、电动汽车等领域。然而，锂资源的稀缺和分布不均，导致了锂电的价格上涨，限制了锂的进一步应用。为了满足社会的需求，迫切需要开发低成本和高性能的下一代二次电池。由于钠和钾的物理和化学性质与锂相似，而且两者在地壳中的含量都很高，因此钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)成为了研究热点。特别地，与Na相比，K/K+的标准电极电位(-2.93 V, vs.SHE)更接近于Li/Li⁺(-3.04 V, vs. SHE)，而Na / Na⁺(-2.71V, vs. SHE)的标准电极电位相对较低，所以PIBs可具有更高的工作电压和能量密度。但是PIBs最大的缺点之一是K的离子半径较大，当钾离子反复从电极中嵌入/脱出时，会引起巨大的体积变化，导致电极结构不可逆的破坏，而找到合适的电极材料是解决这一问题的关键。

MXenes是一种来源于MAX相的新型二维材料，由于其独特的结构和电子特性，在金属离子电池中具有广阔的应用前景。值得注意的是钾离子在MXenes上的扩散势垒很低，表明MXenes作为负极应用于钾离子电池时可能具有优异的倍率性能。然而，由于理论上储钾容量低和充放电时容量衰减较快，MXenes并不适合直接用作负极。在此，作者简要地介绍了MXenes的储钾机制并总结了各种改性的MXenes在钾离子电池领域的应用，重点强调了材料的结构与电化学性能之间的关系。通过对各种改性方法的分析，希望可以窥探MXene在钾离子电池今后的发展方向，并给读者以启迪。

近日，暨南大学化学与材料学院李宏岩教授和广州大学化学与化工学院牛利教授合作，在Chemical Engineering Journal（IF=10.6）上发表了题为“MXenes: AdvancedMaterials in Potassium Ion Batteries”的综述论文。本文主要介绍了MXenes在钾电中的应用，并总结了MXenes的储钾机理。具体来说，作者根据结构特征对MXene基材料进行了分类，并介绍了具有特殊形貌的MXene、MXene基复合材料和MXene衍生材料三种材料在钾电中的应用，重点强调了结构与电化学性能的关系。最后，作者总结了MXene在钾电领域的最新研究进展，指出了目前该研究面临的主要挑战，并提出了改善MXene电化学性能的最有潜力的方法。

图1（a）地壳中锂、钠和钾的储量；（b）锂、钾、钠离子电池能量密度的比较；（c）锂、钠和钾在碳酸丙烯酯（PC）电解液中的斯托克斯半径；（d）MAX相和相应的MXenes的结构；（e）MXenes的各种应用。

图文导读 

1、  MXenes的储钾机理

图2（a）单层V₃C₂的俯视图和侧视图；（b）A、B、C代表三种可能的原子吸附位点；（c）单层V₃C₂上A、B、C三种位点吸附锂、钠、钾、钙的吸附能；（d）V₃C₂Li_x、V₃C₂Na_x、V₃C₂K_x和V₃C₂Ca_x的最大容量；（e）几种金属离子在某些氧封端MXenes上的吸附能；（f）Ti₂CO₂, V₂CO₂, Nb₂CO₂,Ti₃C₂O₂ 的理论容量

图3（a）Ti₃CNT_z电极在不同循环圈数下的电压比容量曲线；（b）基于与3a相同数据作出的dQ/dV-电压图，插图显示了局部放大图；（c）Ti₃CNT_z在20 mA g^-1 电流密度的循环性能；（d）Ti₃CNT_z在不同充放电过程的XRD图谱，显示了层间距的变化；（e）电化学嵌钾和脱钾前后Ti₃CNO₂的结构示意图。为了简化，用O₂代替了T_z。

2、  改性MXenes在钾离子电池中的应用

2.1 MXene基复合材料

图4(a)PDDA-NPCN/Ti₃C₂混合物制备示意图；（b）MoSe₂/MXene@C的结构及其倍率性能示意图。

2.2 MXenes的形貌控制

图5（a）α-Ti₃C₂ MNRs的合成过程示意图及相应产物的层间距；（b）a-Ti₃C₂MNRs的扫描电镜图；（c）a-Ti₃C₂ MNRs在200 mA^-1的循环性能

2.3 MXene衍生材料

图6（a）TiO_xN_y/C的合成过程示意图；（b）TiO_xN_y/C 在200 mA g^-1的循环性能；（c）TiO₂/RGO的合成过程示意图；（d）TiO₂/RGO的透射电镜图；（e、f）TiO₂/RGO的倍率和循环性能

结论

总之，尽管MXenes具有良好的锂存储性能，但锂资源的短缺使其很难大规模地使用于锂电中。此外，在其他的各种离子电池中，二价或三价金属离子电池具有高容量的优点，但是Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Al³⁺和其他二价或三价金属离子，由于它们具有较高电荷密度，而易与电极材料发生强烈的相互作用，导致缓慢的扩散动力学。而PIBs凭借其接近锂二次电池的工作电压和价格低廉的优势，成为了一种很有前景的二次电池。相信，钾离子电池和MXenes的结合开发会引起更多的关注。

    综上所述，MXenes电极材料的制备技术仍需改进，简化制备方法和工艺是使其商业化的关键条件之一。此外，由于大多数MXenes材料的储钾容量不够高，因此将MXenes与其他材料结合将是接下来的主流研究方向，关键的挑战是要协调好结构与性能之间的关系。精心设计材料的结构是提高MXene基材料电化学性能的重要因素。

文献资料

Wu, Y., Sun, Y., Zheng, J., Rong, J., Li, H.,Niu,L.. MXenes: Advanced Materials in Potassium Ion Batteries. Chemical EngineeringJournal, 2020. 

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

信息来源：材料狂人

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