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Mxenes会成为下一代锂电池电极材料吗？
2018-10-24
来源：转载自第三方
2018-10-24
随着可穿戴设备的大热，小型化、微型化、柔性化的电子设备越来越受到人们的追捧，也因此成为研究热点，这也对电极材料提出了新的要求：如何能够开发出一种新的大密度、高体积能量密度的柔性电极材料。具有诸多优点的新型二位纳米材料Mxenes会是下一代的锂离子电池电极材料吗？我们一起来分析一下。
什么是Mxenes?
MXene是材料科学中的一类二维无机化合物，由几个原子层厚度的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成，化学式为
Mn+1AXn，n=1–3
M代表早期过渡金属，比如Sc、Ti、Zr、V、Nb、Cr或者Mo；
A通常代表第三主族和第四主族化学元素；
X代表C或N元素。
通常利用HF选择性刻蚀MAX陶瓷粉体中A元素来获得，合成的MXene具有类似手风琴形态，是多层MXene，或薄层MXene（少于5层）。由于MXenes的层状结构、大的密度和比表面积、高的导电性和润湿性及相对好的化学稳定性，因而被广泛应用于离子电池、超级电容器、电催化、传感器等领域。
Mxenes用作锂电池电极材料表现如何？
锂电池主要包括正极、负极、电解液、隔膜。
（1）正极，主要需要保证的性能包括电导（减少内阻）、扩散（保证反应动力学）、寿命、安全、适当的加工性能（比表面积不可太大，减少副反应，为安全服务）。现有的正极材料有磷酸铁锂、三元材料、锰酸锂等；
（2）负极，不仅要满足锂扩散的动力学要求，还要解决锂枝晶生成倾向加剧带来的安全性问题。目前市场上占有统治地位的负极材料仍然是石墨，其表面对于电解液较为敏感，锂的嵌入反应带有强的方向性；
（3）隔膜，陶瓷涂层隔膜安全性高、可以消耗电解液中杂质，对于三元电池安全性的提升效果格外显著；
（4）电解液，要满足不能分解，导电率高，对正负极材料惰性的特点。通常还会在电解液中加入各种抗高温类、阻燃类、防过充电类的添加剂保护，如T3P，才能一定程度上提高其安全性。
对于MXenes是否适合用于锂离子电池，甚至锂硫电池，澳大利亚悉尼科技大学的研究人员做了相关研究[1]。在锂离子电池中，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。通常将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，作为锂离子电池电极材料。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。
因此，由于优异的导电性，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，Mxenes在做电极材料方面具有很大的优势。然而，要替代石墨成为下一代锂离子电池与锂硫电池电极材料，还有诸多问题有待研究者去进一步解决。
参考文献
[1] Xiao Tang, Xin Guo, Wenjian Wu, et al. 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) as High-Performance Electrode Materials for Lithium-Based Batteries. Advanced Energy Materials, 2018, doi:10.1002/aenm.201801897
相关链接：T3P
本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑
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