二维MXenes作为锂离子电池和锂硫电池的高性能电极材料

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。

作者首先总结了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。

随后,作者就MXenes在锂离子电池及锂硫电池中的应用分别进行了详细的回顾。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。

相关文章在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201801897)上。