大连化物所吴忠帅AFM：MXene基高性能金属离子电池纳米结构的研究进展与展望

文章来源：北科新材浏览次数：3167时间：2020-08-10 QQ学术交流群：1092348845

导读

MXenes是一大类二维过渡金属碳化物或碳氮化物。近年来科研人员为不同类型的能量密度和功率密度的金属离子电池（mib）构建先进的MXene基纳米结构。本文综述了近年来MXene基纳米结构在锂离子电池到非锂离子电池高性能MIBs中的研究进展，重点介绍了MXene作为活性材料、导电基片甚至集电器的独特作用，以及MXene与活性材料之间的协同效应和强相互作用界面，并简要讨论了mxene纳米结构在MIBs方面存在的挑战和前景。

背景简介

1. 什么是非锂金属离子电池

电化学储能装置（EESDs）可以将可再生能源储存到电化学能源中，为用电提供绿色替代能源，最终缓解化石燃料的快速消耗，减少环境污染。锂离子电池（LIBs）具有比超级电容器更高的能量密度，然而，随着锂价格的上涨，LIBs可能无法完全满足未来高性能电动汽车和大容量储能（如发电厂）对高能量密度和功率密度的需求。同时，基于其他碱金属（Na，K）和多价金属（Zn，Mg，Ca）的非锂金属离子电池（mib）也引起了广泛的关注。

近年来，具有高理论容量（例如Si或锂负极、富锂正极）和高工作电压的新型mib电池（如钠离子电池（SIBs）、钾离子电池（PIBs）和锌离子电池（ZIBs））作为锂离子电池的替代技术被开发出来，以用于低成本和高安全的应用。在各种MIB中重复充放电循环时，为了满足理想的电子/离子传导和稳定的结构完整性的要求，进一步要求电极材料具有合适的物理化学性质和优异的电化学性能。然而，目前还没有一种电极材料能完全满足这些要求标准。

2. 什么是MXenes材料？

MXenes作为一类广泛的二维过渡金属碳化物或碳氮化物，在能源相关领域引起了研究人员特别的研究兴趣。MXenes主要是通过氢氟酸或盐酸和氟化锂混合溶液对层状三元MAX前驱体的“a”层进行选择性刻蚀来制备的，其中M，a，X分别代表早期过渡金属（例如Ti、Nb、V、Mo）、III-VI族元素（例如Al、Si、g a）和C和/或N。MXenes的化学成分通常定义为M_n+1X_nT_x（n=1-3），其中T_x是指腐蚀过程中产生的表面端基。

结果表明，MXene是一种具有高导电性的二维层状材料，由于其表面具有亲水性，在水溶液中具有优异的分散性。得益于这一独特的特性，2D MXene纳米片经常被用于为不同的EESDs构建高级纳米结构，如超级电容器（SCs），LIBs和非锂MIBs。尽管已经有几篇关于MXene在储能装置中的合成和应用的评论报道，但主要集中在锂硫电池上，目前还缺乏对锂硫电池和非锂离子电池（如Na⁺、K⁺、Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）中MXene基mib的全面和及时的审查，也缺乏通过有效的MXene基电极结构设计原则。

图1. MXene基纳米结构示意图。

文章介绍

近日，中国科学院的吴忠帅等人在国际知名期刊Advanced Functional Materials (2018 影响因子：15.62)上发表题为“Recent Advances and Promise of MXene-Based Nanostructures for High-Performance Metal Ion Batteries”的进展报告。本文第一作者是Yanfeng Dong。
作者回顾了MXene基材料在不同MIB中的最新进展，并强调了MXene基材料在不同MIB中的重要成就。从常见的LIB到新兴的SIB、PIB、ZIBs、镁离子电池（MgIBs）和钙离子电池（CIB），其中MXene纳米片作为活性材料、集电器、导电添加剂的独特作用，对杂化材料的二维支持进行了有机总结。在此基础上，提出了几种典型的结构模型，系统地比较了它们在促进快速离子扩散和快速电子输运以及提高电极结构和混合界面稳定性方面的优点。最后，对基于mxene的MIBs的未来发展方向进行了展望。

图2. 电化学性能与结构示意图

a) Specific capacity and cyclability tested at the different rates of 1 C and 10 C for Nb2C, V2C, and Ti2C. Reproduced with permission.

b) Valence electron localization function of Ti3C2O2Li2 with or without an extra Li layer. Reproduced with permission.

c) Schematic illustration for the preparation of M′2M″C2/M′2M″2C3 MXene structures.

d) Cycling stability of Mo2TiC2 obtained at C/10 and 1 C rates.

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000706

信息来源：科学材料站

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