西南大学AEM综述: MXene在非锂离子(Na，K，Ca，Mg和Al)电池和超级电容器上的应用

【引言】

锂离子电池(LIB)是最重要的储能技术之一，已被广泛应用于便携式电子产品和电动汽车。然而，锂资源的稀缺性和成本问题阻碍了LIB在大规模储能中的应用。因此，迫切需要开发新的电池体系。Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺和Al³⁺电池由于其资源丰富、容量高和环境友好等特性而备受关注。非锂离子电池(NLIBs)的电化学性能在很大程度上取决于其电极结构和电解质性能。近些年来，层状和二维材料由于其独特的结构而受到了广泛的研究。典型的材料就是MXene，这是一种二维分层的金属碳化物和金属氮化物材料。近年来，已提出大量MXene用于储能体系的电极材料。由于MXene具有出色的物理和化学特性，关于MXene在储能领域应用的报道每年都在增加。

近日，西南大学徐茂文教授（通讯作者）在Advanced Energy Materals上发表了题为“MXenes for Non-Lithium-Ion (Na, K, Ca, Mg, and Al) Batteries and Supercapacitors”的综述文章。本文对MXene在非锂储能技术中的合成、结构、性能和应用进行了综述。简要概述了MXene的制备策略和结构性质。还讨论了MXene的机构与储能性能之间的构效关系。最后，对MXene在储能系统中的目前存在的问题以及挑战进行了总结并概括了未来MXene的研究方向。

【图文导读】

图一MXene简介

（a）元素周期表，其中列出了用于形成通式为M_n+1AX_n的MAX相的元素的部分。

（b）关于MXene的文献数量趋势图。

图二基于HF酸和氟化物盐刻蚀的MXene

图三无氟刻蚀剂的MXene

图四MXene在储钠上的应用

（a-d）Na⁺嵌入不同的Ti₃C₂T_x的结构示意图。

（e）Ti₃C₂T_x的循环性能。

（f）不同充放电状态下NMR光谱。

（g）前两个充电/放电循环的非原位XRD图谱和相应的TEM图像。

图五MXene在钾离子上的应用

（a）MoSe₂/MXene @ C的合成示意图，

（b）MoSe₂/MXene @ C的循环性能。

（c）MoSe₂/MXene @ C在三种不同电流密度下的循环性能，。

（d）MoSe₂/MXene @ C的倍率性能。

图六MXene在镁离子电池上的应用

（a）CT-Ti₃C₂T_x在50mA g^-1时的充电/放电曲线。

（b）计算的Ti₃C₂表面上O和Mg原子吸附能。

（c，d）CT-Ti₃C₂T_x的倍率性能和循环性能

图七MXene在铝离子电池上的应用

（a）通过TMAOH的插入说明了V₂CT_x的层间扩展。

（b，c）V₂AlC和V₂CT_x的SEM图像。

（d）在不同充电状态下V2C电极的XRD图谱。

（e）铝离子电池的示意图。

（f）ML-V₂C MXene的CV曲线。

（g-i）FL-V₂CT_x的充放电曲线和FL-V₂CT_x的倍率性能，以及i）FL-V₂CT_x性能与先前报道的正极的比较。

图八MXene在超级电容器上的应用

（a）MXene层之间插入大小不同的阳离子的示意图。

（b，c）Ti₃C₂T_x的FESEM图像以及层状MXene的嵌入示意图。

（d）Ti₃C₂T_x纸电极在KOH电解液中的CV曲线。

（e）Ti₃C₂T_x纸电极的电容保持率以及在1 A g^-1时的充放电曲线。

（f）Ti₃C₂T_x纸电极的倍率性能。

（g）在KOH电解质中的Ti₃C₂T_x电极的EIS。

【小结】

自MXene于2011年发布第一份报告以来，它已成为2D材料领域的热门和前沿研究方向。在材料制备方面，现有的MXene材料制备方法主要围绕蚀刻MAX相前驱体的思想发展。通过选择蚀刻剂来制备MXene材料的制备方法有很多种。 不同的蚀刻方法对MXene材料的形貌有不同的影响。尽管可以通过蚀刻大规模制备MXene材料，但是通常在MXene材料的表面上引入更多的杂原子官能团或结构缺陷，从而影响MXene的导电性。 根据石墨烯和其他2D材料的制备路线，诸如CVD的自下而上方法的发展是高纯度MXene制备的未来方向。目前，研究机构报告的大多数MXene材料都是钛基材料。随着金属元素组成的变化，MXene材料将表现出不同的性能。对不同金属或双金属过渡金属和多种过渡金属MXene材料的探索有望为2D材料的研究打开另一个窗口。在材料结构设计方面，可以利用石墨烯研究和2D MXene的思想制备2D MXene纳米线或纳米管，可以研究其性能，也可以将MXene用作模板制备金属氧化物和其他衍生物。 具有相应的独特结构，这也是MXene材料领域要研究的工作。

文献链接：“MXenes for Non-Lithium-Ion (Na, K, Ca, Mg, and Al) Batteries and Supercapacitors”(DOI: 10.1002/aenm.202000681)

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