北航&清华顶刊综述（IF 31.6）：锂硫电池中的MXene基材料

文章简介

近日，北京航空航天大学张世超教授、邢雅兰副教授联合清华大学周光敏副教授在国际期刊Materials Science & Engineering R（IF=31.6，中国科学院一区）发表题为“Rational Design of Two-Dimensional MXene-based Materials for Lithium-sulfur Batteries”的综述文章。该综述系统总结了MXene基材料在锂硫电池（LSBs）关键组件（硫正极、Li2S正极、隔膜与锂负极）中的最新研究进展。在每一部分中，特别关注MXene基材料的结构设计、晶体工程策略、界面调控机制以及电池布局优化，以实现同时兼备柔性、高能量密度与长循环稳定性的锂硫电池。

文章链接：

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

图 1 MXene合成工艺示意图及在锂硫电池中的应用

图 2 MXene的发展及其在锂硫电池中的显著应用时间轴

1、MXene材料的特性与合成

自2011年首次合成Ti3C2以来，MXene材料因其独特性质在能量存储领域备受关注。MXene的合成主要通过选择性刻蚀MAX相前驱体中的A元素，常见的刻蚀剂包括氢氟酸（HF）和无氟刻蚀，插层和超声处理可进一步制备单层MXene。为了解决MXene商业化生产中的经济、技术和环境挑战，可以采用几种策略。设计能够再生和再利用蚀刻剂的反应器可以帮助将这些化学品的成本和环境影响降至最低。此外，探索化学气相沉积（CVD）等自下而上的生产方法或在MXene表面生长单原子催化剂可以增强表面功能化过程的可控性。

MXene材料具有充分的理论基础，可以作为锂硫电池的有效正极基体。首先，MXene表现出优异的导电性和化学吸附能力，有助于减轻锂硫电池中的穿梭效应，从而提高电池的安全性和电化学性能。其次，MXene的表面改性有较好的研究基础，可以通过表面基团设计增强MXene的稳定性及提高化学吸附效率。除了钛基MXene外，其他变体，如V2CS2，也具有很好的应用前景。总的来说，表面端基的选择对于MXene材料的功能和稳定性至关重要，使其在锂硫电池中具有广泛的应用潜力。

图 3通过计算化学对MXene应用于锂硫电池的可行性进行探究

2、MXene在锂硫电池中的应用

（1）硫正极

MXenes作为硫的强大导电基质，促进电子传递，并在锂化/脱锂过程中适应体积变化。它们丰富的表面官能团通过强大的化学吸附有效地固定了多硫化物，减轻了穿梭效应。此外，MXene衍生的分层多孔结构为硫及其反应产物提供了足够的空间，从而提高了硫的利用率和循环寿命。

图 4MXene应用于硫正极

（2）Li2S正极

MXene作为Li2S正极基体，结合引入Li2S前驱体或减小Li2S粒度以降低Li2S正极的高活化势垒。同时提供优秀的电子传导能力和催化活性，在正极导电性、多硫化物捕获和电化学稳定性方面提供了协同改善。

（3）隔膜

MXenes作为中间层或隔膜涂层的掺入，引入了有效的屏障来抑制多硫化物的迁移。MXene改性的隔膜不仅在物理上阻碍了多硫化物的扩散，而且在化学上锚定了可溶性多硫化物，从而减少了容量衰减，提高了循环稳定性。此外，MXene的催化活性有助于多硫化物的转化，促进更快的氧化还原动力学。

（4）锂负极

锂阳极上基于MXene的复合结构可作为保护层，减缓枝晶生长并稳定固体电解质界面（SEI）。它们的高导电性和机械稳健性使锂沉积均匀，从而抑制枝晶生长并延长电池寿命。基于MXene的金属锂负极通过调节离子通量和抑制副反应进一步提高了库仑效率（CE）。

图 5MXene应用于锂负极

3、挑战与展望

尽管MXene材料在锂硫电池阴极上的应用已经取得了长足的进展，但为了进一步提高锂硫电池的性能和实用性，仍有几个关键问题有待解决：

（1）稳定性优化：晶体工程策略为定制MXene材料提供了可靠的方法，以优化其在锂硫电池和其他应用中的性能。通过控制层间距、表面功能化、掺杂和结构修饰，MXenes可以获得优异的导电性、机械稳定性和多硫化物锚定能力。然而，为了充分实现MXenes在大规模应用中的潜力，必须解决与可扩展性、氧化稳定性和成本相关的问题。

（2）无锂阳极集成：在Li2 S基锂硫电池中实现无锂阳极与Li 2 S阴极的耦合也是一个重要的研究方向。需要解决无锂阳极电导率低的问题，同时需要开发一种与Li 2 S阴极和无锂阳极兼容的电解质。对于阴极来说，这包括解决Li 2 S的高活化能及其体积变化带来的挑战，同时实施锚定多硫化物和催化氧化还原反应的策略。

（3）界面工程：在锂金属阳极与电解液的界面处形成SEI层，对电池的循环性能和安全性有重要影响。因此，需要深入研究MXene与金属锂之间的界面反应，设计稳定的SEI层来增强电池的稳定性。

（4）规模化生产：MXene的商业化面临重大的经济和技术障碍，主要是由于原材料成本高，生产过程中的能源消耗以及化学废物处理对环境的影响。解决这些挑战对于MXene在能源存储和其他工业应用中的广泛采用至关重要。展望未来，必须继续优化生产技术，探索更可持续的刻蚀方法，提高经济可行性，以满足行业需求。

图 6 文章的简要概述

未来的研究应侧重于开发可扩展和环境友好的MXene合成路线，以生产具有精确可调控表面功能的MXene。此外，探索具有异质结构和杂化材料的MXene复合材料可以为提高电化学和机械性能提供新的机会。解决这些挑战可以为基于MXene的锂硫电池的商业化铺平道路，构建高能量密度、高安全性的锂硫电池。

Materials Science and Engineering: R: Reports创办于1993年，是材料领域的高影响力顶级期刊，年发文量仅20余篇。期刊最新SCI影响因子31.6，在Materials Science Multidisciplinary领域的438本期刊中排名前2%，位列Q1分区。

本文来自公众号“材料科学与工程”，感谢论文作者团队支持。