生物学|用于锂基电池的二维金属碳化物/氮化物（MXene）纳米复合材料的最新进展（二）( 七 ) 生物学

5.1.2.锂离子MXene/硅电极
硅电极因其非常高的比容量、低毒性和原材料可用性而成为最有前途的储能电极之一。然而，硅在循环过程中表现出体积膨胀，导致不良的电化学循环性能。锂化/脱锂过程中发生的体积膨胀是电极开裂和断裂的原因。为了实现锂离子电池硅负极的实际应用，预计硅与 MXene 的组合将产生优异的电化学电极。硅/MXene电极循环性能的提高可能归因于MXene优异的热稳定性。
Zhu等人将硅与分层的 MXenes 夹在中间。在200次循环后，在500 mA/g的电流密度下，分层MXene-硅夹层电极的可逆容量为1130 mAh/g 。然而，原始硅纳米颗粒表现出容量衰减（100 次循环后从 3519.30 到 563.60 mAh/g）。比较原始硅和分层 MXene-硅纳米复合材料的电化学结果，与硅阳极相关的体积膨胀在一定程度上降低。
为了改善硅的体积膨胀和低电导率， Tian 等人使用真空过滤制造了一种用于锂离子阳极电极的柔性无粘合剂 MXene-硅复合材料。他们报告说，制造的 MXene-硅电极对过度的体积膨胀具有显着的亲和力，并显着提高了电导率。在100次循环后，无粘合剂锂离子电极在200.0 mA/g电流密度下的比容量为2118 mAh/g ，而电极在5000 mA/g下的比容量为890 mAh/g 。2D-MXene的加入可以增强硅的电化学性能。有效的离子传输、大的体积膨胀、高电导率和比容量是 2D-MXene-硅电极的一些优点。图 28 显示了 2D-MXene-硅电极的锂化过程示意图。
图 28. 2D-MXene-硅锂化过程。经 Ref. 许可转载。。?2019 ，美国化学学会。
Zhang等人提出了一份关于改善硅电化学性能的类似报告。在这项研究中，使用静电自组装方法制造锂离子电极。静电自组装允许基于静电相互作用在基材上均匀涂覆填料。制备的锂离子电极在 200 mA/g 的电流密度下提供 1067.60 mAh/g 的可逆容量，并且在相同电流密度下循环 100 次后，获得了 643.80 mAh/g 的比容量。2D-MXene-硅电极的优势在于合成方法的简单性和硅循环效率的提高。
2D金属碳化物/氮化物可以作为硅电极的 3D 基体。在这种情况下，可以缩短锂离子的扩散路径，提高电导率。为了实现这一点， Zhang 等人使用逐层方法生产了基于 MXene 的硅电极。该电极由作为基质的 MXene、硅、一层二氧化硅和作为填料的掺氮碳组成。高比容量以及结构和机械稳定性是从这种复合材料中获得的改进。
此外，低温方法已被证明可有效生产 MXene 硅锂离子电极。Hui 等人通过水解原硅酸四乙酯制造了 2D-MXene-silicon 复合材料，这导致了 Ti3C2 表面上二氧化硅的生长。在 200 °C 下将二氧化硅还原为硅为生产 2D-MXene-硅锂离子电极提供了一条简单的途径，在 100 mA/g 的电流密度下具有 1848 mAh/g 的高比容量.
从上面讨论的实验工作来看，如果非常注意克服重新堆叠问题， MXene 显然是一种很有前途的锂离子电池电极。此外， MXene 中的羟基化和氟化键阻止了锂离子的容易扩散，从而降低了电池容量。有关利用 MXene 作为锂离子电池潜在电极的更多实验结果，汇编了选定的研究工作列表，如表 1 所示。
表 1. 基于 MXene 的锂离子电极。
此外， MXene 和基于 MXene 的复合材料可以有效发挥作用的另一个前景领域是生产用于绿色能源存储的可持续氢和氧燃料。由于 MXene 表面终止和功能化控制、高导电性、热稳定性和大表面积， MXene 和基于 MXene 的材料可用作析氢和析氧反应的电催化剂。MXene 表面功能化的探索可以为生产高存储电解电容器提供一条可能的途径。MXene 和基于 MXene 的材料的其他有前景的好处可能包括电磁干扰屏蔽、光伏应用、生物医学、摩擦学、光学生物传感器和生物电子学。目前值得一提的是， HF/氟表面终止控制的高毒性、生产过程中MXene电极的重新堆叠以及较差的机械强度是MXene实际应用面临的部分挑战。对于锂离子电池应用， MXene 电极必须通过适当的剥离技术制造，生产时间必须准确，必须使用适当浓度的蚀刻剂，必须仔细控制形貌和孔隙率，并且电极必须无枝晶和缺陷。
六，结论
在此，我们报告了 2D-MXene 用于储能的生产工艺、性能和可能性的最新进展。本综述系统地介绍了 MXene 与能量存储及其电气、结构和机械性能相关的各种制造方法的分步方法。从整理的研究结果可以推断， MXene 的特性与石墨烯的特性相似，并且可以对其进行修改以制造用于不同应用的产品。合成方法简单，应用广泛。MXene 是具有高能量和功率密度的储能和锂离子电池的有前途的负极材料。适当地解决了诸如表面终止和重新堆叠等挑战。MXene 可用于改善硅的低电导率和体积膨胀，从而为锂离子电池制造可靠的阳极电极。溶剂热、水热、超声波混合、真空过滤、静电自组装和溶液混合已被用于生产 2D-MXene 锂离子电极。优异的比容量、高电导率、孔隙率、快速离子扩散、大体积膨胀以及结构和机械稳定性是 2D-MXene 和基于 2D-MXene 的锂离子电极的相关优势。目前， MXene仍处于初步研究阶段；因此，需要更多的理论和实验研究。此外， MXene-聚合物复合材料有望成为汽车和电网应用的潜在储能材料。