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具有高理論容量、高能量密度和低成本的鈉化學(xué)電池在替代傳統(tǒng)鋰離子電池方面引起了極大的關(guān)注。不幸的是，基于鈉化學(xué)的電池存在許多緊迫問題，包括化學(xué)活性高、反應(yīng)動力學(xué)緩慢、中間體溶解/穿梭以及鈉金屬枝晶生長嚴(yán)重，這嚴(yán)重限制了它們的發(fā)展和進(jìn)一步商業(yè)化。MXene被認(rèn)為是解決上述問題有希望的候選者，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的內(nèi)在特性，包括二維(2D)形態(tài)、機(jī)械柔韌性、優(yōu)異的導(dǎo)電性、可調(diào)節(jié)的表面特性和大表面積。

加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士、安徽工業(yè)大學(xué)徐杰、德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心楊超等總結(jié)了采用MXene架構(gòu)的鈉化學(xué)電池的最新進(jìn)展。

圖1. MXene架構(gòu)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(xué)電池的工作原理。然后，基于代表性的工作，從設(shè)計(jì)理念、制備方法、工程策略、結(jié)構(gòu)和成分調(diào)整、各種MXene的特定功能和電化學(xué)性能的角度分析了鈉化學(xué)電池的幾個典型案例。

最后，提出并討論了鈉化學(xué)電池的剩余挑戰(zhàn)/問題和未來前景。作者相信這篇綜述可以為MXene架構(gòu)的開發(fā)及其在鈉化學(xué)儲能設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用提供新的見解。

圖2. 采用MXene架構(gòu)的不同鈉化學(xué)電池的典型充電/放電曲線

盡管已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但在鈉化學(xué)電池從實(shí)驗(yàn)室階段推廣到實(shí)際應(yīng)用的過程中，仍然存在一些挑戰(zhàn)/問題。因此，作者提出了一些可行的未來的研究。

(1)應(yīng)探索更多具有獨(dú)特微米和納米結(jié)構(gòu)的MXene架構(gòu)，并將其用于鈉化學(xué)電池。迫切需要具有低成本、環(huán)境友好性和簡單制備工藝的MXenes。此外，鼓勵將MXene架構(gòu)用于其他鈉化學(xué)電池，例如鈉氧電池、鈉碲電池和鈉二氧化碳電池，以驗(yàn)證MXene的功能范圍。

圖3. 用于鈉離子電池的具有不同負(fù)電原子的MXenes

(2)應(yīng)開發(fā)有效的方法來生產(chǎn)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(zhì)材料已與MXene片材結(jié)合，但碳質(zhì)材料和MXene片材之間的組合需要系統(tǒng)地優(yōu)化。無機(jī)物質(zhì)也可以與MXene片材結(jié)合，因?yàn)樗鼈兙哂懈唠娀瘜W(xué)性能和有效防止MXene層堆疊。此外，應(yīng)系統(tǒng)地深入研究各種組合，以了解所取得的電化學(xué)結(jié)果。

(3)需要清楚了解使用MXene架構(gòu)的不同鈉化學(xué)電池的工作原理。例如，應(yīng)確定Na-S和Na-Se電池在不同工作階段的確切中間體，因?yàn)樗鼈冿@著影響硫?qū)僭刂黧w的設(shè)計(jì)和構(gòu)建。一旦鈉化學(xué)電池的工作機(jī)制明確，可以解決現(xiàn)有的問題，同時實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能。

圖4. 用于Na-S電池的具有不同形態(tài)的MXene架構(gòu)

(4)應(yīng)對鈉化學(xué)電池中的MXenes進(jìn)行理論研究和先進(jìn)的表征技術(shù)。例如，應(yīng)該對具有新的端點(diǎn)、空位和摻雜物的MXenes，新的MXene類型，以及鈉化學(xué)電池中MXene結(jié)構(gòu)的可能工作原理進(jìn)行理論模擬探索。另外，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)以幫助理解理論研究的結(jié)果。此外，應(yīng)采用更先進(jìn)的表征技術(shù)來探索各種鈉化學(xué)電池的深入工作原理。

(5)對于實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)優(yōu)化使用MXene架構(gòu)的鈉化學(xué)電池的詳細(xì)參數(shù)。目前，鈉化學(xué)電池的組裝采用紐扣電池，測試參數(shù)不適合實(shí)際應(yīng)用。此外，迫切需要使用MXene架構(gòu)提高鈉化學(xué)電池的穩(wěn)定性，特別是在極低/極高的工作溫度、高濕度、彎曲狀態(tài)等惡劣的實(shí)驗(yàn)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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