Advanced Functional Materials :MXene基纳米结构在高性能金属离子电池的应用进展和前景

当前锂离子电池具有较低能量密度,不能满足电动汽车的长续航、高安全要求。此外,随着锂盐价格不断上涨,锂离子电池的制造成本逐渐提高。因此,一方面开发高性能电极材料及适宜的电解液体系,构筑高比能锂离子电池;另一方面,需发展可替代锂离子电池的新型低成本或高安全的金属离子电池技术,如钠、钾、锌离子电池。电极材料作为电池的重要组成部分,是构筑高性能金属离子电池的关键。

MXene是一类二维金属碳(氮)化物纳米片,可通过选择性刻蚀三元层状陶瓷MAX中的A层制备,具有丰富的表面官能团(-OH、-O、-F)和高导电内核。重要的是,MXene还具有较低的金属离子扩散能垒,适宜于金属离子插层的较大层间,因此,MXene在不同金属离子电池中展现出巨大的应用潜力。然而,随着MXene在金属离子电池应用中的快速发展,该领域仍缺乏系统地归纳与总结。

近日,中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队系统综述了MXene基纳米结构在高性能金属离子(Li+、Na+、K+、Mg2+、Zn2+、Ca2+)电池中的研究进展。首先,总结了MXene在金属离子电池中可扮演活性材料、导电载体和集流体三种重要角色,归纳了三种MXene与不同维度(0维、1维、2维)活性材料的复合结构模型:负载型、包覆型和三明治型(图1);其次,重点阐述了不同MXene基复合结构在每种金属离子电池中的优缺点及其构效关系,强调了MXene和活性材料的强耦合界面构筑以及协同增强电池性能的内在机制。最后,简要讨论了MXene基纳米结构在高性能金属离子电池应用所面临的挑战与发展机遇,并提出了一些潜在的解决方案和未来的发展方向。相关论文“Recent Advances and Promise of MXene‐Based Nanostructures for High‐Performance Metal Ion Batteries”发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202000706)上。