AFM综述：应用于金属离子电池的MXene基纳米材料研究进展

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【研究背景】              

电化学能源储存器件可以将可再生能源（如太阳能，蓝色能源以及风能）存储为电化学能量，可以为电力消费应用提供绿色的替代者，可以减缓化石能源的快速消耗并减少环境污染。其中锂离子电池在可穿戴电子与电动汽车领域中，已经表现出比超级电容器更高的能量密度。然而，日益增长的锂资源成本，可能不能满足未来对高性能电动汽车中高能量密度与功率密度的需求。因此研究者们将注意力转移到基于其他碱金属的金属离子电池，和一些多价态金属离子电池。如新型的钠离子电池，钾离子电池与锌离子电池。一般来讲，先进的电池电极应该满足理想的电子和离子传导的要求以及在重复的充放电循环中具有结构的稳定性，这进一步需要电极材料具有合适的物理化学性质以及杰出的电化学性能。然而，目前没有电极材料可以完美地满足这些严苛的要求。

MXenes，作为2D过多金属碳化物或碳氮化物的一大类，引起了研究者们的极大关注。其主要是通过选择性刻蚀将相应的前驱体MAX相中A原子层刻蚀，形成2D的层状结构，具有超高的导电性以及得益于亲水性表面而在水性溶液中具有极好的分散性。2D MXene纳米片材料经常被应用于如超级电容器，锂离子电池与离子电池等应用领域。近日，中科院大连化物所吴忠帅教授在国际著名学术期刊Advanced Functional Materials上发表题目为Recent Advances and Promise of MXene-Based Nanostructures for High-Performance Metal Ion Batteries的研究进展报告，系统地总结了MXenes基纳米材料在离子电池中的研究进展，强调了MXenes既可以作为活性材料，还可以作为导电基底甚至作为集流体。此外，还详细阐述了MXene基复合物在不同维度（0D，1D 和 2D）下的负载，包覆以及形成三明治结构的方法，并提出了对未来研究方向的展望。

【图文导读】

图1. MXene基纳米结构应用于离子电池。

图2. MXene/Ag复合电极的SEM和倍率性能；Nb₂O₅@Nb₄C₃T_x电极的SEM和TEM图像以及倍率性能；黑磷量子点/Ti₃C₂复合电极的合成过程以及循环性能。

图3. CNT/Ti₃C₂的形貌以及电化学性能。Na_0.23TiO₂/Ti₃C₂复合电极的储能机理。TiO₂/MXene和SnO₂/MXene异质结构的电化学性能。

图4. MoS₂/Mo₃TiC₂T_x的合成过程及形貌表征。SnO_x/ Ti₃C₂的SEM图像以及循环性能。MoS₂/Ti₃C₂-MXene@C纳米复合电极的合成过程及循环性能。

图5. TiO₂/Ti₃C₂复合电极的SEM, TEM以及电化学性能测试。Ti₃C₂/NiCoP复合物及相应的储钠机理。

图6. PDDA-BP/Ti₃C₂复合物的SEM, AFM和Raman光谱，电化学性能与组装模型。MoS₂/Ti₃C₂T_x复合物的微观形貌与循环性能。

图7. PDDA-NPCN/Ti₃C₂复合物的物理表征及电化学性能测试。MoSe₂/MXene@C复合物的形貌与循环稳定性测试。

图8.MnO_x/Ti₃C₂T_x复合物，DV₂C@CNT膜和Zn@ Ti₃C₂膜用于储锌。

图9. MXene基纳米材料应用于离子电池未来的挑战：1）MXene纳米片的精确合成；2）合理筛选MXene；3）宏观组装方式；4）先进的原位表征和5）实际应用。

【总结与展望】

     在过去的十年中，通过所有研究者们的共同努力，MXene纳米片应用于离子电池已经取得了较大进展，但合理设计先进的MXene基纳米结构仍然处于起步阶段，只是冰山一角，新的组装方法亟待探索，一些结构的复合方法还有没被报道（如MXene/1D复合物的包覆方法），关于MXene电极的整体设计也鲜有报道。此外，MXenes与其他二维材料相比最有优势的地方在于，其兼具高导电性以及亲水性。 特别地，2DMXene纳米片对于组装有新功能的智能离子电池是很有优势的，如自修复，电致变色以及降解特性等。因此，MXene及MXene基纳米复合材料将会为我们研究高性能下一代离子电池提供很多机会。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202000706.

信息来源： MXene Frontier 

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