山东大学冯金奎教授《AM》综述：MXene基集流体在先进可充电池中的应用！

作为可充电池不可或缺的部件，集流体在支撑电极材料和收集累积电能方面发挥着至关重要的作用。然而，资源不均衡、重量百分比高、电解腐蚀和高压不稳定性等关键问题无法满足日益增长的可充电池需求。近年来，基于MXene的集流体因其独特的结构、大表面积和高导电性而取得了相当大的成就。相关研究也大幅增加。然而，很少有人对这一领域进行全面综述。

近日，山东大学冯金奎教授综述了MXene在可充电池集流体中的应用进展，为MXene的应用提供了发展方向。首先，作者介绍了MXene的相关基础，包括制备方法和优点。然后讨论了集流体的基本要求和种类。接着，分析了MXene在各种电池系统集流体中的应用。同时，重点介绍了改性的方法和机制。最后，作者提出了这方面的一些挑战和建议。在未来，作者希望这篇综述将为MXene基集流体的开发提供一些帮助。

文章要点：

1. 这篇综述全面回顾了用于可充电池的MXene基集流体的最新进展。首先，集流体中常用的MXene是Ti3C2TX。其他众多的MXene家族也能提供出色的性能。特别是表面官能团，它们可以带来不同的组合模式和物理化学特性。此外，当MXene分散在有水和氧气存在的环境中时，它会逐渐转化为TiO2，从而降低其固有的导电性和亲水性。针对MXene的抗氧化问题，人们提出了许多策略，如在MXene溶液中添加抗氧化剂，或将MXene储存在惰性或低温条件下。在电池的实际运行过程中，温度会随着运行时间的延长而升高。基于MXene的集流体会在极高的温度下被氧化，给商业应用带来很大阻力。第三，MXene与金属箔的组合策略太少。目前常用的是涂层法，但这种方法可能会导致MXene在金属集流体表面的分布不均匀，影响电池的电化学性能。此外，当使用MXene作为集流体时，重新堆叠和层间距的限制可能无法适应大型电极材料，从而难以用于大型储能设备。许多有机分子可用于增大 MXene 的层间距，如DMSO、TBAOH和TMAOH，但这些有机插层剂只适用于制备MXene水溶液。最后，大规模制备MXene对于MXene基集流体的商业应用至关重要。目前，使用HF/HCl混合蚀刻剂可以批量获得50克的MXene，同时确保维持基本参数。如果扩大生产规模，还必须克服温度调节、毒性缓解和设备腐蚀等问题。

2. 在此，作者提出了几点建议：（1）目前，可用于集流体的MXene的主流合成方法是氟化物水溶液蚀刻法，这种方法对环境有害且不友好。熔盐法由于无毒、安全，有望实现大规模制备。然而，这种方法需要较高的反应温度。降低反应温度是实现大规模制备的可行方法。探索具有成本效益且环保的制造策略势在必行。

（2）制备MXene过程中产生的空位缺陷是导致稳定性差的因素之一。在使用LiF/HCl策略蚀刻MAX相时，过高的LiF浓度会导致空位缺陷的形成。此外，在超声波加工过程中，MXene表面会形成许多空位缺陷。空位缺陷会极大地影响MXene的机械性能，导致MXene膜在循环过程中断裂。MXene表面涂层也是一种有效的策略。例如，在MXene 面涂碳不仅能避免MXene氧化，还能保护其结构，提高循环时的电化学稳定性。因此，优化制备工艺和控制实验条件是提高MXene稳定性的关键途径。

（3）除了Ti3C2TX MXene 之外，还应将更多不同成分的MXene应用于集流体的改性。在制备过程中，可以通过不同的策略引入各种表面官能团。多种化学元素和官能团可为集流体带来更多应用机会，改善可充电池的电化学性能。应开发更多的MXene类型和MXene衍生物，以解决集流体所面临的问题。

（4）当MXene薄膜作为柔性集流体时，大的表面积会增加与电极材料的接触。然而，过大的表面积可能会导致更多的电解液消耗，进一步降低库仑效率。过少的MXene无法自组装成导电网络，导致电子传输效率低下。相反，过量的MXene不仅会影响活性材料比率，还会降低电池系统的能量密度。层间间距是一个必须考虑的关键因素，因为它决定了在层内加入大尺寸活性材料的可行性。对于开发可穿戴柔性电子设备而言，体积能量密度更为重要。

（5）使用MXene对集流体进行改性后，可获得抗腐蚀、导电性和高电压下稳定性等诸多优点。涂覆方式可能会造成分布不均匀。其他方法，如朗缪尔-布洛吉特舀取法，由于过于复杂，不适合大规模制备。通过不同的后处理模式，MXene 可以以固体粉末形式存在，也可以分散在水中。利用这一优点，选择或构建更多的 MXene 与集流体的组合策略是获得高性能充电电池的重要方向。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202306015

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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