CSC综述：MXenes应用于二次电池的研究进展

【研究背景】                     

对用于高性能可充电电池的先进电极材料的设计与研发已经得到了广泛的研究。非常重要的是，二维（2D）纳米材料已经成为一类非常有潜力的的材料体系，得益于其独特的物理化学性质。尤其是MXenes和磷烯，具有较高的电导率与离子储存能力，得到了持续的关注。近日，苏州科技大学Chunxian Guo与Chang Ming Li教授在国际知名学术期刊ChemSusChem上发表题目为Recent Advances of Two-Dimensional (2D) MXenes and Phosphorene for High-Performance Rechargeable Batteries的综述文章，该综述总结了2D MXenes和磷烯作为电极材料的研究进展，其物理化学特性，包括结构和电子性质以及带隙和磷烯的各向异性。其次，两种材料的合成方法，及其在电池中的应用，如锂离子电池（LIBs），钠离子电池（SIBs），钾离子电池（PIBs），锂硫电池（Li-S电池）以及金属-空气电池。与此同时们还分析了性能提升的机理，以及未来的挑战与机遇。

【图文导读】

图1. 不同类型二维材料的电磁波频谱，带隙范围以及相应的频率范围。

图2. Sn⁴⁺修饰的Ti₃C₂纳米复合物的合成过程以及电化学性能。

图3. 异丙胺插层的Nb₂CT_x的合成过程以及相应的电化学性能。

图4. MXene/CNF复合物的合成过程。

图5.通过与碳材料复合提升Ti₃C₂稳定性；MoS₂@Ti₃C₂的合成过程。

图6.三种磷的同素异形体以及黑磷的的电化学性能。

图7.M⁺-c-Ti₃C₂T_x通过使用MOH絮凝合成过程（M⁺=Li⁺, Na⁺, K⁺, TBA⁺）示意图及微观形貌表征。

图8.MXene表面Ti-OH键通过热处理或聚硫锂接触实现S-Ti-C的替换

图9. CNT-MXene纳米结构及其应用于锂硫电池的分析。

图10. 对于不同金属空气电池的理论比能量，体积能量密度与电压。

图11. TiO₂C@CN_x纳米片的合成示意图以及电催化性能。

【总结与展望】

尽管MXenes和磷烯作为电池的电极材料已经取得了很大的进展，但仍存在一些限制其进一步应用的挑战。

对于MXenes来说，尽管其具有良好的机械稳定性，高电子电导率以及较大的比表面积等优势，然而其内在的相对较低的容量阻碍了其进一步的发展。因此，理想化的电极设计，如在MXenes表面上创造微孔或纳米孔以及复合其他氧化还原材料可以用来提高容量。另一个挑战是，截止到目前，利用先用的方法制备高质量MXene仍然很困难。改善目前的刻蚀剥离方法对MXene进行可控合成，将其厚度控制在5-10nm左右是十分重要的。此外，MXene的表面官能团极大程度地影响了其电化学行为。研发合适的表面改性与功能化处理方式来控制表面官能团对于高性能电池尤为重要。

 特别说明：本综述为MXenes和磷烯材料，我们主要分享了MXenes相关的内容，若您还对磷烯感兴趣，请阅读相应原文，感谢各位老师对我们的支持与关注。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.nantod.2019.100803

信息来源：MXene Frontier