二维金属碳化物/氮化物有望作为锂离子电池和锂硫电池的高性能电极材料
发布日期：2018/10/31
二维材料由于其独特的电学、光学和机械性能，在储能领域拥有巨大的潜力。继石墨烯之后，一种新的二维金属碳化物/氮化物（MXenes）在储能领域引起了广泛的关注。MXenes具有优良的机械强度、高比表面积、高电导率、多种表面官能团的特点，同时也具备组分灵活可调，层数厚度可控等优势，在锂离子电池，锂硫电池等领域拥有巨大潜力。
近日，澳大利亚悉尼科技大学（University of Technology Sydney）的汪国秀教授课题组在Advanced Energy Materials上发表题为“2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) as High-Performance Electrode Materials for Lithium-Based Batteries”的综述，总结了MXenes的刻蚀方法、结构、物化性质以及其在锂离子电池和锂硫电池领域的应用，并对MXenes在储能领域的研究提出了一些建议和展望。
最常用的几种湿法刻蚀MXenes的方法：（1）氢氟酸刻蚀层状前驱物（MAX）；（2）强酸、氟化物盐混合原位生成HF刻蚀层状前驱物；（3）高浓度NaOH刻蚀层状前驱物，制备MXenes。不同的制备条件会影响MXenes的物理性质、结构特征和表面官能团，较为温和的刻蚀和剥落环境有利于大片层、少缺陷的MXenes的合成。氢氟酸刻蚀方法主要适用于含铝的层状前驱物，而强酸、氟化物盐混合刻蚀方法使得阳离子（Li+等）和水分子能够进入MXenes层间，降低层与层间的范德华力而促进剥离。比较而言，高浓度NaOH刻蚀层状前驱物的方法提高了实验安全性，且能够得到不含氟官能团的MXenes。
MXenes的结构和物理性质，尤其是电学性质，决定了MXenes在锂电池内的性能。文中概述了具不同表面官能团和不同组分元素的MXenes的结构特征和相关的电学特性，并且对相关特性可能对锂电池性能的影响进行了分析。
由于MXenes及其衍生物具有良好的电学性能，单金属层MXenes（如Ti2C，Ti3C2）以及双金属层MXenes（如Mo2TiC2，Mo2Ti2C3）在实际实验和理论计算中都显示了较好的电化学性能。然而，无明显放电平台，首周效率较低以及纳米层容易堆叠的缺点影响了MXenes材料的进一步运用。为了扬长避短，将MXenes与其他材料（如金属氧化物，金属单质，硫化物，以及碳材料）复合作为锂离子电极电极材料成为了研究热点。在锂硫电池中，通过实际实验以及理论计算， MXenes表面的官能团具有吸附多硫化物的功能，从而抑制锂硫电池中多硫化物的穿梭效应，提高锂硫电池的电化学性能。因此，当MXenes被用作锂硫电池正极硫载体、隔膜夹层、以及用于改善锂金属负极时，都显著提升了电池性能。
MXenes具有优异的导电性，高比表面积，能够吸附多硫化物，抑制锂负极枝晶生长等优势。然而，还有诸多问题有待研究者去进一步解决，比如如何合成单一表面官能团的MXenes。 如何开发更加安全有效的刻蚀方法与合成方法。金属离子与有机大分子是怎样嵌入在MXenes层间的？同时也应该探索合成新型的MXenes材料（如Mo2B2， Fe2B2等）。总的来说，MXenes用作下一代锂离子电池与锂硫电池电极材料还有很长的路要走。
来源:Materialsviews
