文章簡介

近日，北京航空航天大學張世超教授、邢雅蘭副教授聯合清華大學周光敏副教授在國際期刊Materials Science & Engineering R（IF=31.6，中國科學院一區）發表題為“Rational Design of Two-Dimensional MXene-based Materials for Lithium-sulfur Batteries”的綜述文章。該綜述系統總結了MXene基材料在鋰硫電池（LSBs）關鍵組件（硫正極、Li2S正極、隔膜與鋰負極）中的最新研究進展。在每一部分中，特別關注MXene基材料的結構設計、晶體工程策略、界面調控機制以及電池布局優化，以實現同時兼備柔性、高能量密度與長循環穩定性的鋰硫電池。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X25000622

圖 1 MXene合成工藝示意圖及在鋰硫電池中的應用

圖 2 MXene的發展及其在鋰硫電池中的顯著應用時間軸

1、MXene材料的特性與合成

自2011年首次合成Ti3C2以來，MXene材料因其獨特性質在能量存儲領域備受關注。MXene的合成主要通過選擇性刻蝕MAX相前驅體中的A元素，常見的刻蝕劑包括氫氟酸（HF）和無氟刻蝕，插層和超聲處理可進一步制備單層MXene。為了解決MXene商業化生產中的經濟、技術和環境挑戰，可以采用幾種策略。設計能夠再生和再利用蝕刻劑的反應器可以幫助將這些化學品的成本和環境影響降至最低。此外，探索化學氣相沉積（CVD）等自下而上的生產方法或在MXene表面生長單原子催化劑可以增強表面功能化過程的可控性。

MXene材料具有充分的理論基礎，可以作為鋰硫電池的有效正極基體。首先，MXene表現出優異的導電性和化學吸附能力，有助于減輕鋰硫電池中的穿梭效應，從而提高電池的安全性和電化學性能。其次，MXene的表面改性有較好的研究基礎，可以通過表面基團設計增強MXene的穩定性及提高化學吸附效率。除了鈦基MXene外，其他變體，如V2CS2，也具有很好的應用前景。總的來說，表面端基的選擇對于MXene材料的功能和穩定性至關重要，使其在鋰硫電池中具有廣泛的應用潛力。

圖 3通過計算化學對MXene應用于鋰硫電池的可行性進行探究

2、MXene在鋰硫電池中的應用

（1）硫正極

MXenes作為硫的強大導電基質，促進電子傳遞，并在鋰化/脫鋰過程中適應體積變化。它們豐富的表面官能團通過強大的化學吸附有效地固定了多硫化物，減輕了穿梭效應。此外，MXene衍生的分層多孔結構為硫及其反應產物提供了足夠的空間，從而提高了硫的利用率和循環壽命。

圖 4MXene應用于硫正極

（2）Li2S正極

MXene作為Li2S正極基體，結合引入Li2S前驅體或減小Li2S粒度以降低Li2S正極的高活化勢壘。同時提供優秀的電子傳導能力和催化活性，在正極導電性、多硫化物捕獲和電化學穩定性方面提供了協同改善。

（3）隔膜

MXenes作為中間層或隔膜涂層的摻入，引入了有效的屏障來抑制多硫化物的遷移。MXene改性的隔膜不僅在物理上阻礙了多硫化物的擴散，而且在化學上錨定了可溶性多硫化物，從而減少了容量衰減，提高了循環穩定性。此外，MXene的催化活性有助于多硫化物的轉化，促進更快的氧化還原動力學。

（4）鋰負極

鋰陽極上基于MXene的復合結構可作為保護層，減緩枝晶生長并穩定固體電解質界面（SEI）。它們的高導電性和機械穩健性使鋰沉積均勻，從而抑制枝晶生長并延長電池壽命。基于MXene的金屬鋰負極通過調節離子通量和抑制副反應進一步提高了庫侖效率（CE）。

圖 5MXene應用于鋰負極

3、挑戰與展望

盡管MXene材料在鋰硫電池陰極上的應用已經取得了長足的進展，但為了進一步提高鋰硫電池的性能和實用性，仍有幾個關鍵問題有待解決：

（1）穩定性優化：晶體工程策略為定制MXene材料提供了可靠的方法，以優化其在鋰硫電池和其他應用中的性能。通過控制層間距、表面功能化、摻雜和結構修飾，MXenes可以獲得優異的導電性、機械穩定性和多硫化物錨定能力。然而，為了充分實現MXenes在大規模應用中的潛力，必須解決與可擴展性、氧化穩定性和成本相關的問題。

（2）無鋰陽極集成：在Li2 S基鋰硫電池中實現無鋰陽極與Li 2 S陰極的耦合也是一個重要的研究方向。需要解決無鋰陽極電導率低的問題，同時需要開發一種與Li 2 S陰極和無鋰陽極兼容的電解質。對于陰極來說，這包括解決Li 2 S的高活化能及其體積變化帶來的挑戰，同時實施錨定多硫化物和催化氧化還原反應的策略。

（3）界面工程：在鋰金屬陽極與電解液的界面處形成SEI層，對電池的循環性能和安全性有重要影響。因此，需要深入研究MXene與金屬鋰之間的界面反應，設計穩定的SEI層來增強電池的穩定性。

（4）規模化生產：MXene的商業化面臨重大的經濟和技術障礙，主要是由于原材料成本高，生產過程中的能源消耗以及化學廢物處理對環境的影響。解決這些挑戰對于MXene在能源存儲和其他工業應用中的廣泛采用至關重要。展望未來，必須繼續優化生產技術，探索更可持續的刻蝕方法，提高經濟可行性，以滿足行業需求。

圖 6 文章的簡要概述

未來的研究應側重于開發可擴展和環境友好的MXene合成路線，以生產具有精確可調控表面功能的MXene。此外，探索具有異質結構和雜化材料的MXene復合材料可以為提高電化學和機械性能提供新的機會。解決這些挑戰可以為基于MXene的鋰硫電池的商業化鋪平道路，構建高能量密度、高安全性的鋰硫電池。

Materials Science and Engineering: R: Reports創辦于1993年，是材料領域的高影響力頂級期刊，年發文量僅20余篇。期刊最新SCI影響因子31.6，在Materials Science Multidisciplinary領域的438本期刊中排名前2%，位列Q1分區。

本文來自公眾號“材料科學與工程”，感謝論文作者團隊支持。