综述：MXene及其复合材料在下一代锂/钠离子和锂硫电池中的崛起：一篇综述

本综述系统探讨了MXene（二维过渡金属碳化物/氮化物）及其复合材料在锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）和锂硫电池（LSBs）中的应用前景。文章重点介绍了MXene的合成方法（如HF蚀刻、电化学法）、独特性质（高导电性、可调层间距、表面官能团）及其通过复合策略（如纳米结构设计、核心-壳架构）提升电极性能的机制，包括抑制多硫化物穿梭效应、增强离子扩散效率和结构稳定性，为下一代高性能储能器件开发提供了重要参考。

　　

引言

随着全球能源需求持续增长及碳排放问题日益严峻，开发高效、可持续的电化学储能技术已成为研究热点。锂离子电池（LIBs）虽广泛应用于便携电子设备和电动汽车，但仍面临成本高、能量密度有限（约400 Wh kg^–1）和资源限制等挑战。钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低而成为潜在替代方案，但其能量密度较低（约100 Wh/kg）。锂硫电池（LSBs）凭借高理论能量密度（~2600 Wh/kg）和环境友好性被视为下一代储能系统，但受限于硫的低导电性和多硫化物（LiPS）的穿梭效应。MXene作为新型二维材料，凭借其高导电性、可调层间距和表面化学特性，为解决上述问题提供了新思路。

MXene的合成与特性

MXene通常通过选择性蚀刻MAX相中的“A”原子层（如Ti₃AlC₂中的Al）制备，常用方法包括HF蚀刻、碱法蚀刻和电化学蚀刻。其层状结构赋予其高比表面积、金属级导电性（~10⁴ S/cm）和亲水性。表面官能团（如–O、–OH）增强了其与其它材料的相互作用，但易导致纳米片重新堆叠，影响离子传输。通过复合设计（如与硅碳材料结合）可有效抑制堆叠，扩大层间距，提升离子扩散效率。

MXene在锂离子电池中的应用

MXene及其复合材料作为电极材料可显著提升LIBs的性能。例如，Si/Ti₃C₂复合负极通过简单超声混合制备，表现出高初始比容量和长循环稳定性。MXene的高导电性促进了电子传输，而其柔性结构缓冲了充放电过程中的体积变化，从而延长电池寿命。

MXene在钠离子电池中的潜力

SIBs因钠离子半径较大（Na⁺为1.02 ? vs. Li⁺为0.76 ?）对电极材料结构要求更高。MXene的可调层间距和表面化学特性有助于钠离子的快速嵌入/脱出，缓解体积膨胀。研究表明，MXene基复合材料（如与硬碳复合）可提高钠存储容量和倍率性能，推动SIBs在大规模储能中的应用。

MXene在锂硫电池中的创新应用

LSBs的核心挑战是多硫化物的穿梭效应和硫的低导电性。MXene凭借强化学吸附能力（与LiPS形成Li–S键）和高导电性，可作为硫宿主或中间层有效抑制穿梭效应。例如，Ti₃C₂MXene修饰的隔膜提升了硫利用率循环稳定性，使LSBs更接近商业化需求。

结论与展望

MXene及其复合材料在LIBs、SIBs和LSBs中展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临挑战：大规模合成成本高、层堆叠问题待解决、长期循环稳定性需进一步提升。未来研究应聚焦于绿色合成技术、精准调控表面化学以及多尺度结构设计，以推动MXene基储能器件的商业化进程。