北京化工大学徐斌、朱奇珍《AFM》：MXene基锂硫电池的现状与展望

如今，锂离子电池是可充储能装置的主流，但即使它们的能量密度已接近理论值（≈400 Wh kg⁻¹），仍不足以满足日益增长的需求。由于硫正极和锂负极的理论比容量分别为1675和3860 mAh g⁻¹，锂硫（Li-S）电池的理论能量密度高达2567 Wh kg⁻¹，大约是传统石墨锂离子电池的6倍，因此Li-S电池是最有前景的下一代储能装置之一。然而，Li-S电池的实际应用受到以下问题的阻碍：1）可溶性中间产物长链多硫化物Li₂S_n（4≤n≤8）（LiPSs）的穿梭效应导致容量衰减严重，循环寿命缩短；2） 硫与Li₂S的绝缘性导致硫利用不足，倍率性能较差；3）S/Li₂S体积变化大（80%），可能导致电极结构损坏；4）充放电过程中锂负极上产生的锂枝晶可能导致电池短路。
二维过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）是一类新型二维材料，通常通过选择性蚀刻叠层MAX相（M_n+1AX_n，n=1–4）中的“A”层来制备，其中“M”表示早期过渡金属，例如Ti、V、Zr和Nb，“A”表示IIIA或IVA元素（例如Al、Ga、Si等），而“X”对应于碳和/或氮。目前，MXenes在实现高性能Li-S电池方面显示出非常有前景的应用。MXenes的金属导电性提供了快速的电子转移，以促进硫的充分利用，从而保证了Li-S电池的高容量。MXenes表面的终端可形成强烈的金属-S键对LiPSs表现出强吸附作用，从而抑制穿梭效应。具有丰富末端的MXenes对LiPSs和Li₂S之间的转化具有有效的催化作用，从而促进循环过程中的氧化还原动力学。MXenes还可以诱导锂的均匀成核和生长以抑制锂枝晶。MXenes的结构多样性为装载大量硫或锂以及适应体积膨胀提供了巨大的机会。因此，MXenes在Li-S电池性能改进方面具有诱人的前景。在此，北京化工大学徐斌教授、朱奇珍副教授综述了Li-S电池中MXenes的最新进展、成就和面临的挑战。首先介绍了Li-S电池面临的挑战和传统解决方案，然后讨论了MXenes在Li-S电池中的优势和相关机理。详细讨论了MXenes在Li-S电池中的应用进展，包括硫正极、正极与隔膜之间的夹层、锂负极。最后介绍了MXenes当前面临的挑战以及它们在Li-S电池中的应用前景。文章亮点：1、综述了MXene基Li-S电池的最新进展和研究成果。2、展示了MXenes的结构构建、化学修饰以及与其它材料的杂交。3、讨论了MXenes和MXene基复合材料对电化学性能的增强作用及相关机理。4、介绍了用于Li-S电池的MXenes的挑战和前景。图1 Li-S电池和MXenes的介绍图2 MXenes在Li-S电池中的优势及应用示意图图3 MXenes在正极中的应用图4 MXenes在夹层中的应用原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202100457