中南大学刘开宇Carbon Energy:浅谈MXene在锌离子储能中的最新进展

1

研究背景

在“碳中和，碳达峰”的背景下，能源和环境可持续发展是整个人类社会所关注的重点话题。化石能源和环境所面临的问题日渐突出，这推动了清洁能源的开发和发展，大大增加了对高性能电化学储能的需求。随着对电池安全和清洁发展的要求，发展具有低成本、 高安全性、 环境友好等优点的水系锌离子二次电池势在必行。目前，在锌离子电池的正极，负极，电解液，隔膜等方面已经进行了大量的研究，开发了不同的材料应用于高性能锌离子电池。然而，水系锌离子二次电池在商业化进程中仍然具有很多的挑战。二维材料由于其特殊可调的物理化学性质，越来越多地作为电极材料应用于各种储能器件中。层间距可控、表面结构可调、导电性较强、亲水性良好等优点属于MXene在锌离子电池中广泛的应用。

2

研究内容

近日，中南大学刘开宇教授和刘鹏高博士全面总结了MXene基材料在锌离子电池的正极、负极、电解液和隔膜中的应用。文章以“Rational modulation of emerging MXene materials for zinc ion storage”为题目发表在Carbon Energy上。在本文中，作者回顾了MXene材料在锌离子储能中的应用，重点介绍了MXene在正极中的应用，基于MXene的不同作用，可以直接用作活性电极、导电材料、衍生材料和基质材料等以提高锌离子储能体系的电化学性能。此外，本文总结了MXene作为锌金属负极和电解液中的应用。最后，我们讨论了目前面临的挑战以及进一步所需的结构设计，MXene在锌离子存储中的反应机理等关键问题。

图1. MXene在锌离子储能中的应用。

3

内容解析

3.1 正极材料

a.由于大的比表面积，层状纳米结构和丰富的化学表面结构，可以直接作为电容型电极材料吸附离子或电池型电极材料储存锌离子。

图2. （a） Zn-MXene电容器的原理图，（b）5-100 mV s⁻¹的CV曲线，（c）0.5-3 A g⁻¹的充放电曲线，（d）不同电流密度下的质量比电容和体积比电容，（e）3 A g⁻¹下的循环稳定性，（f）自放电测试，Copyright 2019, American Chemical Society。（g）50-500 mV s⁻¹的CV曲线，（h）不同电流密度下的比电容，（i）不同弯曲角度下的CV曲线，（j）柔性微型超级电容器的光学照片，Copyright 2019, Wiley-VCH。（k）原位过程示意图,（l）3 A g⁻¹的充放电曲线,（m）在不同电流密度下的倍率性能，（n）20 mA g⁻¹的放电容量和库仑效率，Copyright 2020, Elsevier。

b. 提高离子和电子的高效、快速输运是提高电极电化学活性的重要途径。三维互穿导电网络是离子和电子快速转移的理想衬底。MXenes具有高电导率和大表面积，不仅提供了丰富的储能场所，而且有利于三维导电网络的构建。将MXenes与活性物质复合，可以显著的提高其电化学性能。

图3.（a）MXene纳米片和（b）MXene-rGO凝胶的合成过程。（c）MXene-rGO//ZnSO₄//Zn电容器原理图，Copyright 2019, Wiley-VCH。

c.钒基化合物中元素V具有不同的氧化还原价态和内部存储空间缺陷，可作为锌离子电池的正极材料存储锌离子。然而，其存在一些限制因素，如电子导电性低、离子插入和扩散繁琐、结构损伤不可逆等，限制了其进一步的实际应用。V在V2CTx MXene中的多重氧化态，以及结合MXene的多种优点可以提供优异的锌离子存储。

图4. （a） V₂CT_x MXene合成V₂O₅的示意图，（b）V₂CT_x-350-0.1和商用V₂O₅在不同电流密度下的倍率性能，（c）V₂CT_x-350-0.1在不同扫描速率下的CV曲线，（d）V₂CT_x-350-0.1在2000 mA g⁻¹ 下的循环性能，Copyright 2020, American Chemical Society。（e）V₂O_x@V₂CT_x在0.2 mV s⁻¹下的CV曲线，（f）50 mA g⁻¹下的充放电曲线，不同电流密度下的（g）倍率性能和（h）充放电曲线，（i）1 A g⁻¹下的循环稳定性，Copyright 2020, American Chemical Society。

d.作为碘宿主助力锌碘电池：

Lewis刻蚀法在MXene表面的化学调控方面具有许多优势，有望进一步促进对MXene物理化学的调节。通过熔盐法合成了各种含卤素基团的MXene材料，将其用作水系锌离子电池的正极材料，展现出优异的电化学性能。

图5. （a）锌离子电池及其电化学机理图，（b）Ti₃C₂Br₂ 和 Ti₃C₂I₂的CV曲线，（c）Ti₃C₂Br₂ 和 Ti₃C₂I₂的倍率性能和长循环性能，（d）Ti₃C₂ MXenes的充放电曲线，（e）Ti₃C₂ MXenes的能量密度和容量，Copyright 2021, American Chemical Society.

3.2 负极材料

MXene由于其特殊的结构而具有许多独特的性能，这有利于在锌负极中的应用。MXene的高电导率，和电解质亲和性增强了快速电子转移和离子转移动力学；理想的层间距和可组合性可以作为一种优秀的锌负极沉积基底，以缓解充放电过程中的体积变化；亲锌官能团使其具有归一化的离子通量，以诱导均匀的锌离子传输，成核和无枝晶生长。相关研究表明（1）MXene可以作为锌离子沉积的主体，抑制锌枝晶的生长。（2）MXene可以作为界面改性涂层抑制枝晶生长，防止腐蚀反应。

3.3 电解液

MXene是一种极具吸引力的二维材料，由于其丰富的官能团和高电导率，MXene已被用作不同电池的电解质添加剂。通过在2 M ZnSO₄水溶液中加入少量MXene纳米片，锌负极获得了较长的循环寿命和较高的库仑效率。MXene纳米片作为电解质添加剂，缩短了Zn²⁺的扩散路径，促进了载流子在电解质中的快速输运。

4

结论与展望

本文综述了近年来MXene在锌离子储能中的研究进展。MXene由于其特殊的结构而被直接用作电极材料；由于MXene的高导电性和结构可控性，它可以作为活性材料的基底，提高电极的电化学性能；并且可以作为锌离子的沉积基底或锌金属的表面修饰层抑制枝晶生长和副反应发生。然而，MXene在锌离子储能领域的应用仍然面临着巨大的挑战：（1）对锌离子电容器储能机理的研究还不清楚，需要对其进行原位表征和理论计算来阐述。并且电容器的比容量需要进一步的提高。（2）基于电池的电极主要集中在V基MXene，而其他MXene的应用研究相对较少。不同的MXene具有不同的特性，在应用中可能会产生不同的影响。与石墨烯基材料相比，MXene材料的应用相对简单，扩展和探索MXene基材料(气凝胶等)的应用是一个有价值的研究方向。（3）MXene作为电解质添加剂的研究较少， MXene在固态和液态电解质中的应用还有待进一步研究。（4）结合MXene的结构特点，需要构建不同类型的电池体系。柔性电极(片、线等)的设计是未来实际应用中一个相当重要的研究内容。商用电池系统(软包和圆柱形)应评估MXene在锌离子储能的实际应用潜力。（5）有必要结合一些先进技术，进一步研究储能机理。因此，对MXene在锌离子储能领域的创新研究和实际应用进行进一步的研究仍是必要的。总之，本综述为MXene在锌离子储能领域更好的应用提供了研究信息和观点。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

Rational modulation of emerging MXene materials for zinc ion storage

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.154

DOI:10.1002/cey2.154

往期 · 推荐

点击“阅读原文”，查看文章原文