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具有高理論容量、高能量密度和低成本的鈉化學電池在替代傳統鋰離子電池方面引起了極大的關注。不幸的是，基于鈉化學的電池存在許多緊迫問題，包括化學活性高、反應動力學緩慢、中間體溶解/穿梭以及鈉金屬枝晶生長嚴重，這嚴重限制了它們的發展和進一步商業化。MXene被認為是解決上述問題有希望的候選者，因為它們具有優異的內在特性，包括二維(2D)形態、機械柔韌性、優異的導電性、可調節的表面特性和大表面積。

加拿大滑鐵盧大學陳忠偉院士、安徽工業大學徐杰、德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心楊超等總結了采用MXene架構的鈉化學電池的最新進展。

圖1. MXene架構的示意圖

在此，作者首先討論了MXene材料的合成方法和各種鈉化學電池的工作原理。然后，基于代表性的工作，從設計理念、制備方法、工程策略、結構和成分調整、各種MXene的特定功能和電化學性能的角度分析了鈉化學電池的幾個典型案例。

最后，提出并討論了鈉化學電池的剩余挑戰/問題和未來前景。作者相信這篇綜述可以為MXene架構的開發及其在鈉化學儲能設備中的實際應用提供新的見解。

圖2. 采用MXene架構的不同鈉化學電池的典型充電/放電曲線

盡管已經取得了較大進展，但在鈉化學電池從實驗室階段推廣到實際應用的過程中，仍然存在一些挑戰/問題。因此，作者提出了一些可行的未來的研究。

(1)應探索更多具有獨特微米和納米結構的MXene架構，并將其用于鈉化學電池。迫切需要具有低成本、環境友好性和簡單制備工藝的MXenes。此外，鼓勵將MXene架構用于其他鈉化學電池，例如鈉氧電池、鈉碲電池和鈉二氧化碳電池，以驗證MXene的功能范圍。

圖3. 用于鈉離子電池的具有不同負電原子的MXenes

(2)應開發有效的方法來生產具有受控層和尺寸的MXene薄片。石墨烯、碳納米管和碳層等碳質材料已與MXene片材結合，但碳質材料和MXene片材之間的組合需要系統地優化。無機物質也可以與MXene片材結合，因為它們具有高電化學性能和有效防止MXene層堆疊。此外，應系統地深入研究各種組合，以了解所取得的電化學結果。

(3)需要清楚了解使用MXene架構的不同鈉化學電池的工作原理。例如，應確定Na-S和Na-Se電池在不同工作階段的確切中間體，因為它們顯著影響硫屬元素主體的設計和構建。一旦鈉化學電池的工作機制明確，可以解決現有的問題，同時實現優異的電化學性能。

圖4. 用于Na-S電池的具有不同形態的MXene架構

(4)應對鈉化學電池中的MXenes進行理論研究和先進的表征技術。例如，應該對具有新的端點、空位和摻雜物的MXenes，新的MXene類型，以及鈉化學電池中MXene結構的可能工作原理進行理論模擬探索。另外，應進行相應的實驗以幫助理解理論研究的結果。此外，應采用更先進的表征技術來探索各種鈉化學電池的深入工作原理。

(5)對于實際應用，應優化使用MXene架構的鈉化學電池的詳細參數。目前，鈉化學電池的組裝采用紐扣電池，測試參數不適合實際應用。此外，迫切需要使用MXene架構提高鈉化學電池的穩定性，特別是在極低/極高的工作溫度、高濕度、彎曲狀態等惡劣的實驗條件下。

Architecture Design of MXene-based Materials for Sodium-chemistry Based Batteries. Nano Energy 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107590

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