MXene的制备及其在高比能碱金属电池中的应用

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0620

摘要/Abstract

摘要：

双碳目标下，具有高比能量的碱金属电池受到广泛关注，但电池循环过程中枝晶的生长会带来严重安全隐患。新型二维材料（MXene）具有优异的导电性、充足的层间空间、稳定的层状结构，作为金属负极保护材料具有应用价值。首先介绍了MXene的不同制备方法，之后对MXene在金属负极保护领域的应用现状进行了分析和评价。其中，重点总结了三大类MXene与碱金属复合的方法（滚压法、熔融灌注法、电沉积法），指出当前方法普遍存在易氧化、操作难度大、难以大规模生产等弊端。最后提出MXene的发展应参考石墨烯材料的发展策略，更多地利用其表面活性官能团和片层结构，构筑独立集流体或保护层以获得更好的循环性能。

关键词: 双碳目标, 碱金属电池, 高比能, MXene

Abstract:

Under the dual?carbon goal，alkali metal batteries with high specific energy have received widespread attention，but the growth of dendrites during battery cycling will bring serious safety hazards.The new two?dimensional material MXene has excellent electrical conductivity，sufficient interlayer space，and stable layered structure.It has application value as metal anode protective material.Firstly，the different preparation methods of MXene were introduced，and then the application status of MXene in the field of metal anode protection were analyzed and evaluated.Among them，the three main types of MXene and alkali metal composite methods（rolling method，melt pouring method，electrodeposition method） were summarized，and it was pointed out that the current methods generally had disadvantages such as easy oxidation，difficult operation，and difficulty in large?scale production.Finally，it was proposed that the development of MXene should refer to the development strategy of graphene materials，and make more use of its surface active functional groups and sheet structure to build independent current collectors or protective layers to obtain better cycle performance.

Key words: dual?carbon goal, alkali metal battery, high specific energy, MXene

中图分类号:

TQ131.1

沙霖,王鹏飞,史发年. MXene的制备及其在高比能碱金属电池中的应用[J]. 无机盐工业, 2022, 54(5): 19-27.

SHA Lin,WANG Pengfei,SHI Fanian. Preparation of MXene and its application in high specific energy alkaline metal batteries[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2022, 54(5): 19-27.

图/表 8

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

参考文献 33

1	王利宁，彭天铎，向征艰，等.碳中和目标下中国能源转型路径分析［J］.国际石油经济，2021，29（1）：2-8.
	WANG Lining， PENG Tianduo， XIANG Zhengjian，et al.Analysis of China's energy transition pathways under the goal of carbon neutrality［J］.International Petroleum Economics，2021，29（1）：2-8.
2	李十中.推动新能源革命促进实现碳中和目标［J］.人民论坛·学术前沿，2021（14）：42-51.
	LI Shizhong.Promoting the new energy revolution and achieving the goal of carbon neutrality［J］.Frontiers，2021（14）：42-51.
3	李方方，张晓龙，吴怡，等.我国动力锂电池行业现状和发展趋势［J］.交通节能与环保，2016，12（3）：14-16.
	LI Fangfang， ZHANG Xiaolong， WU Yi，et al.Current situation and development trend of power lithium battery industry［J］.Energy Conservation & Environmental Protection in Transportation，2016，12（3）：14-16.
4	陈姗.宁德时代拟582亿元定增发力六大清洁能源项目［J］.新能源科技，2021（9）：35-36.
	CHEN Shan.Ningde era planing to increase by 58.2 billion yuan and develop six major clean energy projects［J］.New Energy Technology，2021（9）：35-36.
5	周子健.对于锂金属电池负极的枝晶抑制方法分析［J］.中国金属通报，2019（3）：126，128.
	ZHOU Zijian.Analysis of dendrite suppression methods for cathodes of lithium metal batteries［J］.China Metal Bulletin，2019（3）：126，128.
6	XIAO Jie.How lithium dendrites form in liquid batteries［J］.Science，2019，366（6464）：426-427.
7	MENKIN S， O'KEEFE C A， GUNNARSDÓTTIR A B，et al.Toward an understanding of SEI formation and lithium plating on copper in anode⁃free batteries［J］.The Journal of Physical Chemistry.C，Nanomaterials and Interfaces，2021，125（30）：16719-16732.
8	孙丹，李伟，刘峥.二维纳米材料MXene及其在锂离子电池中的应用研究进展［J］.材料导报，2021，35（15）：15047-15055，15087.
	SUN Dan， LI Wei， LIU Zheng.Two⁃dimensional nanomaterial MXene and its research advances on applications in lithium⁃ion batteries［J］.Materials Reports，2021，35（15）：15047-15055，15087.
9	LEI Jincheng， ZHANG Xu， ZHOU Zhen.Recent advances in MXene：Preparation，properties，and applications［J］.Frontiers of Phy⁃ sics，2015，10（3）：276-286.
10	BÄRMANN P， HANEKE L， WROGEMANN J M，et al.Scalable synthesis of MAX phase precursors toward titanium⁃based MXenes for lithium⁃ion batteries［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2021，13（22）：26074-26083.
11	ASLAM M K， NIU Yubin， XU Maowen.MXenes for non⁃lithium⁃ion（Na，K，Ca，Mg，and Al） batteries and supercapacitors［J］.Advanced Energy Materials，2021，11（2）.Doi：10.1002/aenm. 20200068 . doi: 10.1002/aenm. 20200068
12	沈斯崎，吴强，李俊.MXene材料的制备、电化学储能性能研究现状［J］.材料科学与工程学报，2021，39（3）：515-526.
	SHEN Siqi， WU Qiang， LI Jun.Review on preparation and electrochemical performance of mxene materials［J］.Journal of Materials Science and Engineering，2021，39（3）：515-526.
13	周彬，白小洁，刘昊，等.二维MXene材料：Ti₃C₂T _x 在钠离子电池中的研究进展［J］.无机盐工业，2021，53（8）：21-26.
	ZHOU Bin， BAI Xiaojie， LIU Hao，et al.Research progress of two⁃dimensional MXene material of Ti₃C₂T _x in sodium⁃ion batteries［J］.Inorganic Chemicals Industry，2021，53（8）：21-26.
14	牛丽丽，王培，张丽，等.Ti₃C₂T _x MXene制备及在超级电容器中的应用研究进展［J］.人工晶体学报，2021，50（11）：2183-2191.
	NIU Lili， WANG Pei， ZHANG Li，et al.Research progress on preparation of Ti₃C₂T _x MXene and its application in supercapacitors［J］.Journal of Synthetic Crystals，2021，50（11）：2183-2191.
15	YIN Teng， LI Yan， WANG Renheng，et al.Synthesis of Ti₃C₂F _x MXene with controllable fluorination by electrochemical etching for lithium⁃ion batteries applications［J］.Ceramics International，2021，47（20）：28642-28649.
16	XIU Luyang， WANG Zhiyu， QIU Jieshan.General synthesis of MXene by green etching chemistry of fluoride⁃free Lewis acidic melts［J］.Rare Metals，2020，39（11）：1237-1238.
17	WANG Zhiteng， WANG Rancheng， TANG Linbo，et al.A sand⁃ doi: 10.1016/j.ssi.2021.115714
	Ti wich⁃like 3 C₂@VO₂ composite synthesized by a hydrothermal method for lithium storage［J］.Solid State Ionics，2021，369.Doi：10.1016/j.ssi.2021.115714 . doi: 10.1016/j.ssi.2021.115714
18	URBANKOWSKI P， ANASORI B， MAKARYAN T，et al.Synthesis of two⁃dimensional titanium nitride Ti₄N₃（MXene）［J］.Nanoscale，2016，8.Doi：10.1039/c6nr02253g . doi: 10.1039/c6nr02253g
19	NATU V，PAI R， SOKOL M，et al.2D Ti₃C₂T _z MXene synthesized by water⁃free etching of Ti₃AlC₂ in polar organic solvents［J］.Chem 2020，6.Doi：10.1016/j.chempr.2020.01.019 . doi: 10.1016/j.chempr.2020.01.019
20	THIRUMAL V， YUVAKKUMAR R， KUMAR P S，et al.Facile single⁃step synthesis of MXene@CNTs hybrid nanocomposite by CVD method to remove hazardous pollutants［J］.Chemosphere，2022，286.Doi：10.1016/j.chemosphere.2021.131733 . doi: 10.1016/j.chemosphere.2021.131733
21	KUMAR J A， PRAKASH P， KRITHIGA T，et al.Methods of synthesis，characteristics，and environmental applications of MXene：A comprehensive review［J］.Chemosphere，2022，286.Doi：10 . doi: 10
	1016/j.chemosphere.2021.131607. doi: 10
22	YANG Qi， WANG Yukun， LI Xinliang，et al.Recent progress of MXene⁃based nanomaterials in flexible energy storage and electronic devices［J］.Energy & Environmental Materials，2018，1（4）：183-195.
23	TIAN Yuan， AN Yongling， FENG Jinkui.Flexible and freestanding silicon/MXene composite papers for high⁃performance lithium⁃ion batteries［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2019，11（10）：10004-10011.
24	KATAOKA K.Oxide single crystals with high lithium⁃ion conductivity as solid electrolytes for all⁃solid⁃state lithium secondary ba⁃
	ttery applications［J］.Journal of the Ceramic Society of Japan，2020，128（1）：7-18.
25	LI Bin， ZHANG Di， LIU Yue，et al.Flexible Ti₃C₂ MXene-lithium
	film with lamellar structure for ultrastable metallic lithium anod⁃
	es［J］.Nano Energy，2017，39：654-661.
26	CHEN Xi， SHANG Mingwei， NIU Junjie.Inter⁃layer⁃calated thin Li metal electrode with improved battery capacity retention and dendrite suppression［J］.Nano Letters，2020，20（4）：2639-2646.
27	WANG Yiran， ZHANG Wen， ZENG Xianjie，et al.Membranes for separation of alkali/alkaline earth metal ions：A review［J］.Separation and Purification Technology，2021，278.Doi：10.1016/j.seppur.2021.119640 . doi: 10.1016/j.seppur.2021.119640
28	FANG Yongzheng， ZHANG Ying， ZHU Kai，et al.Lithiophilic three⁃dimensional porous Ti₃C₂T _x -rGO membrane as a stable scaffold for safe alkali metal（Li or Na） anodes［J］.ACS Nano，2019，13（12）：14319-14328.
29	LIU Yuhong， WANG Caoyu， YANG Silin，et al.3D MXene architectures as sulfur hosts for high⁃performance lithium⁃sulfur batteries［J］.Journal of Energy Chemistry，2022，66：429-439.
30	SHI Haodong， ZHANG C J， LU Pengfei，et al.Conducting and li⁃
	thiophilic MXene/graphene framework for high⁃capacity，dendrite⁃free lithium⁃metal anodes［J］.ACS Nano，2019，13（12）：14308-14318.
31	SHI Haodong， YUE Meng， ZHANG C J，et al.3D flexible，conductive，and recyclable Ti₃C₂T _x MXene⁃melamine foam for high⁃areal⁃capacity and long⁃lifetime alkali⁃metal anode［J］.ACS Nano，2020，14（7）：8678-8688.
32	JIAN X， HE M， CHEN L，et al.Three⁃dimensional carambola⁃like MXene/polypyrrole composite produced by one⁃step co⁃electrodeposition method for electrochemical energy storage［J］.Electrochimica Acta，2019，318：820-827.
33	YANG Di， ZHAO Chunyu， LIAN Ruqian，et al.Mechanisms of the planar growth of lithium metal enabled by the 2D lattice confinement from a Ti₃C₂T _x MXene intermediate layer［J］.Advanced Functional Materials，2021，31（24）：1-10.

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会