综述：基于MXene的复合电极和固态电解质的最新进展，这些进展提升了储能设备的机械性能、物理性能和电化学性能

《Journal of Energy Storage》：Recent advances in MXene-based composite electrodes and solid-state electrolytes for enhanced mechanical, physical, and electrochemical properties for energy storage devices

　　

Jae Doc Na|Suresh Sagadevan|Latiful Kabir|Karna Wijaya|Kefayat Ullah|Won-Chun Oh

韩国忠清南道瑞山汉西大学先进材料科学与工程系，邮编31962

摘要

二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）由于其层状结构、亲水性和可调的表面官能团，已成为电化学储能领域具有前景的材料。MXenes在锂离子电池、钠离子电池、超级电容器和锂离子电容器中表现出优异的性能，具有高能量密度、高放电率和良好的循环稳定性。通过掺杂以及与聚合物或碳材料的复合，MXenes的机械柔韧性、导电性和稳定性得到了提升，使其成为理想的可弯曲电极材料。本文综述了MXenes/聚合物复合电极和固态电解质的机械、物理和电化学性质，并探讨了快速充电、长循环寿命和安全性等关键储能挑战。固态和凝胶聚合物电解质（包括水溶性、基于盐的以及亲水性导电类型）可以有效降低泄漏风险、抑制枝晶生长，并支持柔性/可穿戴设备的应用。

引言

近年来，为各种便携式电子设备、电动汽车和可再生能源系统供电的储能设备主要使用可充电二次电池。已经提出了多种类型的可充电电池，这些电池需要具备高能量密度和长循环寿命。此外，随着对更安全、更高效储能系统的需求增加，人们从多个方面着手开发替代电池技术[1]。其中，全固态电池是一种有前景的技术，被广泛研究作为下一代储能解决方案。与传统的锂离子电池（LIBs）相比，全固态储能设备具有更高的安全性、柔韧性和能量密度[2]、[3]。与液态电解质相比，固态电解质不易燃，显著提高了防火安全性，并降低了热失控和泄漏等风险。固态电解质主要分为三类：有机聚合物、无机化合物以及含有无机填料的聚合物复合材料。此外，全固态电池通过高容量电极、较高的工作电压和薄的电解质层实现了高能量密度。

全固态电池消除了液态电解质，抑制了锂枝晶的形成，延长了循环寿命，并提升了整体性能。尽管如此，仍存在一些阻碍其广泛商业化的挑战，主要包括电解质与电极之间的界面电阻不稳定、固态电解质离子导电性低、由于导电性差导致能量密度降低以及循环寿命有限[4]。为克服这些挑战，研究人员开发了新型材料和工程策略；二维MXenes成为电极和电解质的理想候选材料。MXenes的高导电性、丰富的表面官能团、与移动离子的强结合能力以及适合金属离子的表面特性有助于克服这些挑战[5]。将MXenes作为固态电解质或电极使用可以降低氧化还原过电位，有效抑制枝晶生长，并提高库仑效率和能量密度（图1）。

基于MXenes的全固态储能设备在广泛应用中面临若干关键挑战。在制备宏观电极过程中，MXene纳米片的堆叠会减少电解质可接触的表面积，阻碍离子传输，从而导致电容降低[6]、[7]。MXenes在氧化条件下表现出电化学不稳定性，这会降低其长期循环性能和导电性[8]、[9]。由于离子插入效率低（这一问题因固态电解质与MXenes的相互作用而加剧[10]、[11]），进一步提高其能量密度受到限制。此外，将MXene电极与固态电解质结合会降低离子导电性、影响设备柔韧性和界面稳定性。

解决全固态储能设备挑战的有效方法包括通过层间工程控制层状结构[12]、[13]、[14]、通过物理和化学方法对表面进行功能化[15]、[16]，以及与聚合物或纳米碳材料复合[17]、[18]、[19]。这些策略可以减少层状结构的堆叠并提高环境稳定性[17]、[18]。对于固态电解质，基于聚合物的凝胶和离子液体系统有助于改善离子导电性和电化学稳定性[20]、[21]。虽然基于MXenes的全固态设备在柔性可穿戴电子器件方面显示出潜力[22]、[23]、[24]，但作为电极材料，该领域仍处于发展初期，面临诸多商业化障碍。

作为替代方案，固态聚合物电解质（SPEs）消除了与液态电解质相关的易燃性和气体生成风险。SPEs还具备更高的机械强度和柔韧性，同时抑制了锂枝晶的生长，从而减少了电极反应过程中的体积变化和易燃性[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。然而，由聚碳酸酯（PC）和聚氧化乙烯（PEO）等常见聚合物组成的SPEs在高温下仍具有易燃性[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。特别是PEO的极限氧指数较低，加剧了这一问题[37]。提高防火性能对于下一代储能设备的安全性至关重要[38]、[39]、[40]，开发阻燃聚合物电解质是提高安全性的策略之一[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]。有必要通过将阻燃剂整合到聚合物基质中来降低易燃性，从而减少火灾风险[50]。含有卤素[51]、磷[52]、氮[53]和硼[54]元素的阻燃聚合物已被开发出来，以在保持聚合物电解质氧化还原稳定性的同时提高防火性能。

全固态储能设备需要通过电容机制实现高功率/能量密度，并具备理想的氧化还原过程。基于MXenes的系统利用二维层状结构、金属导电性（>10,000 S cm^?1）和丰富的活性位点，实现了协同的赝电容/法拉第反应。然而，范德华力引起的MXene纳米片堆叠限制了离子的传输。聚合物的引入促进了垂直排列，形成了开放的离子通道，减少了堆叠现象并加速了离子传输。自MXenes被发现以来，这些方法在实用应用中展现了巨大潜力，推动了基于MXenes的电极开发[图2]。目前对全固态电池的研究兴趣日益高涨，年度出版物和引用数量也在增加（图2，Web of Science数据）。

为了实现MXenes/聚合物复合材料的长期稳定性，需要提高MXene与聚合物之间的界面兼容性并降低纳米片的电阻。目前关于这些电池/超级电容器电极中的电荷扩散、离子传输和结构连通性的研究还很有限。聚合物通过氧化还原活性、界面键合和垂直排列调节MXene层间结构，从而显著影响整体电化学性能。

章节摘录

固态电解质中的离子传输

在全固态储能设备中，聚合物粘合剂作为主要介质，提供锂离子传输通道。然而，纯聚合物在固态电池膜中的离子导电性极低，从而阻碍了Li⁺的传输[55]、[56]。因此，深入理解聚合物等固态离子导体中的离子传输机制至关重要。此外，还需要开发新型固态电解质并选择合适的粘合剂来增强其性能

MXene/聚合物复合薄膜

MXenes（二维过渡金属碳化物和氮化物）因其优异的性能和独特的结构而在储能领域受到广泛关注。这些特性归因于MXenes的独特内在特性，如金属级别的导电性、丰富的表面官能团、原子级薄的层状结构以及可调的层间距。

MXene/聚合物复合材料：阻燃性和枝晶抑制

电子设备需求的快速增长导致锂离子电池的消费量显著增加。锂金属阳极因其超高的理论容量（3860 mAh g^?1）和最低的氧化还原电位（?3.04 V）而受到广泛关注[146]、[147]、[148]。然而，锂枝晶的形成限制了其实际应用，降低了容量并引发了严重的安全问题，尤其是在与易燃液体结合使用时

结构稳定性

Bai等人[167]开发了基于MXenes的聚苯胺（PANI）电极和MXene交联的聚丙烯酸水凝胶电解质，这些材料表现出高电容和良好的循环稳定性。在MXene表面原位聚合苯胺时，利用纳米片的富氧官能团作为成核位点，形成了三维多孔的PANI/MXene导电网络。

这种结构减少了MXene的堆叠现象，并促进了电解质的快速离子扩散（图10(a)）。为了进一步优化

MXene/聚合物复合材料的挑战与前景

在超级电容器应用中，MXene/聚合物复合材料在电双层电容（EDLC）和赝电容储能方面表现出良好性能。高效的电荷积累依赖于接触电阻和改善的电解质-电极相互作用，这可以通过优化复合结构来实现。理想的EDLC行为通常表现为准矩形循环伏安曲线和线性的充放电曲线

结论与未来展望

MXenes已成为全固态储能设备（ASSEDs）的多功能材料，具有高导电性、可调的表面化学性质和机械柔韧性。通过分层成少层片状结构以及与聚合物或碳纳米管（CNTs）形成异质结构，可以改善离子传输性，减少堆叠现象并提升电化学性能。在电极中，这些结构实现了高赝电容和体积性能

CRediT作者贡献声明

Jae Doc Na： 数据整理。Suresh Sagadevan： 文章撰写——初稿撰写。Latiful Kabir： 数据整理。Karna Wijaya： 数据整理。Kefayat Ullah： 数据整理。Won-Chun Oh： 文章撰写——审稿与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。