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山大馮金奎Mater. Today綜述：用于可充電電池中先進(jìn)隔膜的Mxenes

隔膜作為儲(chǔ)能器件不可缺少的組成部分，對(duì)電化學(xué)性能起著關(guān)鍵作用。因此，隔膜工程是構(gòu)建更好的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的有前途方法。MXenes是一類新型的二維過渡金屬氮化物、碳化物和碳氮化物，由于其獨(dú)特的特性如高導(dǎo)電性、大表面積、可控親水性、豐富的表面化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)越的機(jī)械性能而在隔膜工程中嶄露頭角。然而，關(guān)于該主題的全面綜述很少見。

在此，山東大學(xué)馮金奎教授等人綜述了用于可充電電池隔膜中的MXenes的最新進(jìn)展。首先，作者總結(jié)了MXenes的基本原理，包括組成、合成技術(shù)和官能化。MXenes的合成方法一般可分為兩種：一種是含氟酸刻蝕法，另一種是無氟刻蝕法。隨后，作者介紹了隔膜設(shè)計(jì)及其優(yōu)化的基本信息。進(jìn)一步，作者總結(jié)了 MXenes在隔膜工程中的應(yīng)用及其在可充電電池中的應(yīng)用。

其中，MXenes的高電導(dǎo)率有利于促進(jìn)離子傳輸，獲得優(yōu)異的倍率性能；豐富的表面基團(tuán)提供更多的電鍍位點(diǎn)并降低初始成核勢(shì)壘，進(jìn)一步誘導(dǎo)平面沉積；柔性結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的機(jī)械性能可保持結(jié)構(gòu)的完整性，提高電池能量密度并促進(jìn)離子傳輸；優(yōu)異的親水性有利于提高水系電解液和隔膜之間的潤濕性，進(jìn)一步均勻沉積。此外，由于Ti原子與多硫化物中間體之間的強(qiáng)相互作用，可有效抑制鋰硫電池穿梭效應(yīng)等。

圖1. MXene的合成技術(shù)和優(yōu)勢(shì)

最后，作者提出了在可充電電池中進(jìn)一步開發(fā)基于MXenes的隔膜的前景和挑戰(zhàn)：（1）開發(fā)更多種類的MXene，不同的MXene可能會(huì)帶來不同的效果；

（2）探索MXene的綠色合成方法，這對(duì)于MXene的規(guī)模化生產(chǎn)具有重要意義；

（3）探測 MXene的表面化學(xué)，仍需更多研究來設(shè)計(jì)更簡單的技術(shù)以制備具有受控末端的MXene；

（4）提高M(jìn)Xene的穩(wěn)定性，迫切需要設(shè)計(jì)在各種條件下穩(wěn)定MXene的有效方法；

（5）構(gòu)建MXene的雜原子摻雜，這是改善性能的有效途徑；

（6）利用混合MXene，可阻止MXene重新堆疊并增強(qiáng)其性能；

（7）隔膜多功能涂層的設(shè)計(jì)；

（8）探索隔膜與電池性能之間的關(guān)系；

（9）開發(fā)新型中間層；

（10）開展隔膜的平衡特性研究；

（11）評(píng)估實(shí)際應(yīng)用潛力；

（12）擴(kuò)展應(yīng)用范圍；

（13）與AI等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合。

圖2. 隔膜中MXene的未來發(fā)展方向示意圖

MXenes for advanced separator in rechargeable batteries, Materials Today 2022. DOI: 10.1016/j.mattod.2022.06.006

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