山东大学冯金奎教授课题组Mater. Today综述：MXenes及其衍生物在水系电池中的研究进展和展望

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水系电池具有安全性高、成本低、环境友好等优点，具有较好的发展潜力。然而，电化学稳定性窗口窄、活性材料溶解、枝晶生长和循环寿命差等几个关键问题阻碍了水系电池的实际应用。自2019年以来，二维MXenes 及其衍生物因其独特的优势在水系电池中取得了的重大进展，相关研究迅速增加。山东大学材料与工程学院冯金奎教授课题组在Materials Today上发表了题为MXenes and their derivatives for advanced aqueous rechargeable batteries的综述文章，系统回顾了MXenes及其衍生物在水系锌离子、锂离子、钠离子和双离子电池中正极构建、负极设计和电解质优化等的最新进展。首先详细综述了水系电池的优势和关键挑战，总结了MXenes及其衍生物的制备和在水系电池电化学储能中的优势。随后，全面总结和讨论了MXenes及其衍生物用于水系电池的设计策略和内在机制。最后，对MXenes基材料在水系电池中的未来设计策略进行了展望。

图文解析

图1. MXenes及其衍生物在水系电池中正极、负极以及电解液应用示意图。

图2. MXenes及其衍生物在水系电池中正极、负极以及电解液研究概览。

图 3. (a) 单层/少层MXene的制备示意图和（b-g）微观结构，(h) MXene在电化学存储的优势，(i) MXene 胶体溶液和自支撑MXene膜，(j) 刮涂法制备的MXene膜，(k,l) MXene优异的机械性能。

图4. V₂AlC和V₂CT_x直接用作水系电池正极活性材料。

图5. V₂CT_x衍生物用于水系锌离子电池正极。

图6. MXene用作锰基正极集流体和/或导电粘结剂。

图7. MXene用作水系无枝晶锌负极的3D host.

图8. MXene在无枝晶锌负极中应用。

图9. MXene在水系电池负极活性材料中用作导电粘结剂和/或集流体。

图10. （a）MXene在不同浓度硫酸水溶液中的CV曲线，（b，c）MXene在水系双离子电池中作为负极材料，（e-h）MXene在水系电解液中的应用。

总结展望

本文将MXenes及其衍生物在水系锌/钠/锂/离子电池和水系双离子电池研究进展及性能改善机制进行了全面的综述。MXenes因具有二维特质、机械柔性、优异的金属导电性、可调控的表面官能团、亲水性等特性以及其丰富的种类，在水系可充电电池中作为正负极活性材料、集流体、导电粘合剂和电解质添加剂等时，可显著稳定正负极，提高正负极的电导率，加速离子/电子传输，改善循环稳定性和倍率性能，抑制有害的枝晶生长等。然而，MXenes及其衍生物在水系可充电电池中的实际应用仍存在巨大挑战。该综述试图通过总结最新进展为设计具有高能量密度和高安全性的先进水系可充电电池提供指导。最后提出了关于MXenes基材料改善水系电池循环稳定性和提高能量密度的一些展望。

作者简介

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冯金奎教授，现为山东大学材料科学与工程学院材料物理化学研究所副所长、山东省自然科学杰出青年、山东省泰山学者青年专家、山东大学青年学者未来计划人选。Sci. Rep.编委，Funct. Mater. Lett.和Appl. Sci.客座编辑，山东省新旧动能转换评审专家。近年来，冯金奎教授课题组围绕新能源材料以及不可燃电解液的制备与性能研究等方面开展了一系列工作，在Energy Environ. Sci.、Mater. Today、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Nano、Energy Storage Mater.等国际知名学术期刊发表多篇论文，受到国内外同行的广泛关注。上述研究得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金国家重点项目、山东省杰出青年基金、山东大学攀登团队、山东省泰山学者项目、山东省重点研发计划项目和山东大学青年学者未来计划项目等支持。

田园，师从冯金奎教授，为课题组2021届博士毕业生，主要围绕高能量密度电极和MXene材料研究改善锌离子电池/锌金属电池/钾离子电池/锂离子电池性能的机理、方法和新材料，近期最新成果发表在Mater. Today, Adv. Energy Mater.、Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Nano (ESI hot paper & highly cited paper), Chem. Mater., Chem. Eng. J.等杂志上。

相关链接如下：

1. https://doi.org/10.1002/aenm.202002529

2. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.06.019

3. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05599

4. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105344

5. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c00787

6. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126836

7. https://doi.org/10.1039/C9TA02233C

8. https://doi.org/10.1021/acsami.8b21893

安永灵，山东大学材料科学与工程学院2019级博士生，研究方向为高能量密度和高安全储能体系的构建。近期成果发表在Mater. Today、Nano Today、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.、ACS Nano、Nano Energy等学术期刊。

原文链接

MXenes and their derivatives for advanced aqueous rechargeable batteries, Mater. Today, 2021, 

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.11.021.

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