来源:Nano Research Energy 发布时间:2022/4/24 14:47:39
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MXenes储能组件,方兴未艾

 

香港城市大学材料科学与工程系,Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119?issn=2790-8119)创刊主编支春义教授团队系统的总结了近十年来MXenes材料的物化性质演变以及其在电化学储能领域的应用,相关成果于2022年4月20日发表在国际顶级刊物Nature Reviews Chemistry。

自2011年首次被发现以来,二维MXenes材料因其极高丰富度、可定制性和独特的物理化学性质而引起了广泛关注。尤其是在储能领域,MXenes已经成为继石墨烯家族之后最受欢迎的二维电极候选者。优异的导电性、周期性堆积以及纳米尺度的巨大夹层空间为电子传导和离子穿梭提供了天然的便利。到目前为止,对MXenes的探索已经远远超出了水/有机体系电极材料的范畴。回顾可知,MXenes几乎参与了电池和电容器中所有重要部件的构建和优化,包括电极活性成分、导电载体、粘结剂、电解质添加剂、隔膜改进剂、负极甚至封装。考虑到MXenes在储能领域的蓬勃发展,香港城市大学支春义教授团队与德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授课题组在Nature Reviews Chemistry撰文回顾了近十年来MXenes组件的开发历程,从化学视角阐明了MXenes组件中性质-性能-角色的关系,并指出了MXenes组件在未来实际储能应用中可能面临的挑战和机遇。

Fig. 1 | The evolution of bulk and surface chemistry of MXenes.

迄今为止,已超过30余种MXenes材料被实验合成,且更有数百计的MXenes材料被理论预测为热力学稳定的,表现出极其优异的物相丰富特征。研究表明,表面带负电的MXenes材料可以以极高浓度分散在水和许多常见极性溶剂(例如,二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、乙腈(ACN)、四氢呋喃(THF))中,同时保持高导电性,这在二维材料家族中是罕见的。例如,基于DMF的Ti3C2Tx分散液可达到9.18 mg/mL的浓度。同时,MXenes继承了母体MAX陶瓷的化学共价键和金属键结构。就其机械性能而言,少层MXenes纳米片表现出极好的柔韧性而多层MXenes颗粒则具有本征刚度和韧性。

Fig. 2 | Electrochemical properties of MXene electrodes.

储能电极是MXenes及其衍生物的发祥地,也是迄今为止探索最深入的角色。在有机、水系、离子液体电解质中,MXenes材料表现出电容、赝电容和氧化还原电化学特征,实现了快速电荷存储和稳定电压输出。MXenes电极的电化学性能受其自身特性以及其与离子的相互作用的显著影响。当然,离子的固有性质,包括电负性、表面能、电离能,半径和价态,在很大程度上决定了MXenes电极的储能机制。插层离子通过弱静电吸附、氢键或强离子键诱导电荷增加或中和并导致MXenes中的快速电子离域。储存的离子和MXenes骨架之间的相互作用主要与最外层的Tx和表面M层有关,这可能促进或抑制离子的穿梭。

Fig. 3 | Mechanical reinforcement, ion transfer regulation and steric hindrance.

MXenes的引入还可以实现对固体/半固态电解质的机械强化、离子迁移调节和玻璃化转变抑制,从而扩展电解质应用场景,提高实际应用性能。MXenes聚合物电解质具有高离子导电性,已用于各种储能装置,包括金属离子电池(Li+、Na+、Zn2+、金属-气体系统和燃料电池)。然而,MXenes添加量应保持较低,因为它们具有极好的导电性。

Fig. 4 | Induced ion redistribution and electrodeposition chemistry.

MXenes具有显著的离子亲和性和化学相容性,可以作为电子和离子的重分配器,解决金属电极中长期存在的枝晶生长、腐蚀、产气等问题,甚至取代它们来实现无集流体负极。

极好的润湿性使的MXenes可以在电极-电解质界面吸引更多的离子通量来降低初始成核屏障。此外,MXenes的金属性质降低了电子转移势垒。除离子亲和性外,离子(去)溶剂化也很重要,因为溶剂化通过延缓去溶剂化行为使沉积复杂化。在不同电解液体系,根据溶剂和离子的不同,MXenes内通常存在复杂的、不明显的(去)溶剂化机制。在界面区域,官能团与离子的预键和可以加速溶剂离子的解离,增加自由离子浓度,降低了沉积障碍。同时,去溶剂过程也得益于快速电子注入和萃取。对于锌负极等水系体系,离子沉积与析氢反应(HER)相互竞争,因此必须特别注意抑制过度金属层对析氢的催化作用。

Fig. 5 | Multifunctional MXene additives for better electrodes.

MXenes材料的另一个新兴应用是多功能添加剂。MXenes可以提供电子导电性、加速其他电化学活性材料的反应动力学、催化氧化还原过程或满足特定结构要求。以S基氧化还原反应为例,实验和模拟表明,暴露的极性过渡金属元素和表面官能团层对多硫化物具有增强的亲和力,能够抑制反应过程中多硫化物的泄漏和不良穿梭效应。在界面区域,轨道未被占据的表面过渡金属原子与放电产物(M–S键)紧密结合,抑制其溶解和穿梭,同时为氧化还原提供足够的电子,提升反应动力学。

相关论文信息:Nature Reviews Chemistry,https://www.nature.com/articles/s41570-022-00384-8

Li, X., Huang, Z., Shuck, C.E. et al. MXene chemistry, electrochemistry and energy storage applications. Nat. Rev. Chem. (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41570-022-00384-8

作为Nano Research姊妹刊,Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119;官网: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119?issn=2790-8119),创刊于2022年3月,由清华大学主办,清华大学曲良体教授和香港城市大学支春义教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊,聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。

 
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