综述：探索graphdiyne、MXene、borophene和phosphorene作为下一代金属离子电池的先进二维材料

《Progress in Organic Coatings》：Exploring graphdiyne, MXene, borophene, and phosphorene as advanced 2D materials for next-generation metallic ion batteries

1.金属离子电池替代锂基电池的二维材料研究进展，包括石墨炔、MXenes、硼烯、磷烯和MOFs的电化学性能优化，分析其结构特性与离子存储机制，探讨界面退化、结构坍塌及规模化生产挑战，提出原位表征和机器学习辅助的材料设计方向。

　　
近年来，金属离子电池作为锂基能源存储技术的替代方案受到广泛关注。这类电池包括锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）、钾离子电池（KIBs）和镁离子电池（MIBs），其发展背景与挑战可归纳为以下三点：首先，锂资源稀缺性、高开采成本及地缘政治风险推动了对更可持续金属离子存储体系的探索；其次，钠、钾等金属元素在地壳中的丰度显著高于锂（钠和钾分别比锂多出1100倍和1300倍），且具有更低的成本优势；第三，多价金属离子（如Mg2?、Ca2?等）理论上可提供更高的电荷密度，但需解决离子迁移率低、库仑效率差等固有矛盾。

在材料筛选方面，二维（2D）材料因其独特的物理化学特性成为研究热点。这类材料普遍具备高比表面积、可调控的层间距和优异的离子传输通道。本文系统综述了四类典型二维材料——石墨炔（GDY）、MXenes、硼烯（Borophene）和磷烯（Phosphorene）以及二维金属有机框架（MOFs）在各类金属离子电池中的应用进展。

石墨炔作为新兴碳基材料，其sp-sp2杂化碳原子构成的蜂窝状结构（层间距约0.365nm）为锂离子提供了均匀分布的通道。实验表明，GDY在锂离子电池中展现出比传统石墨更高的比容量，其大π共轭体系不仅增强结构稳定性，还能通过调控表面官能团实现容量可调性。但需注意，GDY在钠、钾离子体系中的适用性仍需进一步验证。

MXenes家族以Ti?C?Tx为代表，具有金属导电性和表面官能化的双重优势。通过表面修饰（如硫原子掺杂）可有效调节层间距，促进离子扩散。例如，硫修饰的Ti?C?Tx MXene在锂离子嵌入过程中表现出更快的动力学响应，同时表面硫基团与电解液形成稳定相互作用，抑制了传统MXenes的体积膨胀问题。这类材料的导电性（金属态）与表面活性位点（如Ti3?氧化还原中心）的结合，为高功率密度电池设计提供了新思路。

硼烯因其独特的电子结构备受关注，其单层结构具有各向异性导电特性，在钠离子电池中表现出理论容量超过400mAh/g的潜力。但实际应用中面临层间结构不稳定和电解液兼容性差的问题。最新研究通过构建β??-硼烯/石墨范德华异质结构，利用石墨层作为机械支撑，成功提升了硼烯的循环稳定性。这种异质结构设计为解决二维材料层间堆叠问题提供了新范式。

磷烯作为直接带隙半导体材料，在锂离子存储中展现出优异的电化学性能。其 puckered layered structure（类似石墨烯但具有褶皱形貌）为离子提供了快速传输通道，同时其大比表面积（可达2630m2/g）有利于高容量存储。然而，磷烯在钾离子体系中的响应机制尚不明确，且空气敏感特性对实际器件应用构成挑战。近期研究通过构建磷烯/石墨炔异质结构，在保持机械强度（杨氏模量达630GPa）的同时，将锂离子扩散速率提升至传统碳材料的3倍以上。

在材料复合策略方面，研究趋势呈现两大方向：一是通过异质结构建实现性能互补，如蓝磷烯/石墨炔异质结构在锂离子电池中展现出协同效应，其锂离子扩散势垒较单一材料降低42%；二是开发功能化表面修饰技术，例如在MXenes表面原位沉积氧化锌纳米线，形成三维离子通道网络，使钠离子电池的倍率性能提升至5C（5倍电流密度）下仍保持85%的容量保持率。

技术瓶颈方面，当前研究主要面临三重挑战：首先，二维材料在循环过程中易发生层间重构或堆叠，导致容量衰减加速，特别是镁离子电池中高达80%的体积膨胀率对材料结构稳定性构成严峻考验；其次，电解液界面（SEI）阻抗问题在钾离子电池中尤为突出，其高氧化还原电位易引发副反应；再者，规模化制备方面，二维材料的层状结构在传统印刷工艺中易出现缺陷，制约了器件的均匀性和可重复性。

未来发展方向聚焦于三个维度：材料设计层面，通过机器学习辅助的原子级缺陷工程（如故意引入硫空位）来优化离子传输路径；工艺创新层面，开发基于液相剥离的连续生产技术，将二维材料批次生产周期从72小时缩短至8小时；器件集成方面，研究柔性基底与二维材料的界面适配机制，如采用石墨烯补片增强MXenes的机械强度（提升至300MPa以上）。

值得注意的是，金属有机框架（MOFs）的二维衍生物为多价离子存储提供了新思路。这类材料通过配位键构建的孔道结构（孔径可调至0.4-2.0nm），能有效捕获多价金属离子，同时其可编程性允许通过调节配体类型（如苯甲酸、琥珀酸）实现不同金属离子的选择性存储。例如，二锰基MOFs在镁离子电池中展现出高达620mAh/g的比容量，且循环500次后容量保持率超过95%。

在应用场景拓展方面，研究已从实验室验证转向实际器件构建。最新成果显示，基于MXene/石墨烯复合电极的钠离子电池在1C倍率下容量达182mAh/g，循环2000次后容量保持率仍超过90%；而采用石墨炔-磷酸铁锂正极的混合储能系统，其能量密度达到280Wh/kg，较传统系统提升40%。

当前研究仍存在知识盲区：其一，二维材料在多价离子（如Mg2?、Al3?）嵌入过程中的具体结构演变机制尚未完全明晰；其二，界面反应动力学与电解液体系（如固态电解质适配性）的协同优化策略有待深入探索；其三，大规模生产过程中如何保持材料本征特性（如层间距一致性）仍是技术难点。

该综述通过系统比较不同二维材料在锂、钠、钾、镁离子体系中的表现，揭示了材料特性与离子存储机制的内在关联。研究显示，在特定离子/材料体系中，存在最佳匹配参数窗口：如GDY对Li?表现出高亲和力（结合能-1.32eV），但对Na?的吸附能仅-0.87eV；而MXenes在钾离子嵌入时因表面Ti3?的氧化还原活性，展现出独特的双电子转移机制。这些发现为材料定向设计提供了理论依据。

值得强调的是，二维材料的优势需要与系统级优化相结合。例如，采用原位合成的MXene纳米片（厚度<5nm）可使钠离子电池的充放电时间缩短至5分钟以内；通过表面工程引入氟代官能团，可将磷烯在潮湿环境中的稳定性提升3个数量级。这些技术突破表明，二维材料在金属离子电池中的应用具有广阔前景，但仍需在基础理论（如离子扩散的量子效应）、工艺标准化（如缺陷率控制）和全系统适配性（如电解液-电极界面匹配）等方面持续深耕。

当前研究已形成明确的阶段性目标：短期（1-3年）重点突破二维材料规模化制备与表面功能化技术，中期（3-5年）实现实验室级器件向中试产线的转化，长期（5-10年）构建基于智能材料（如自修复MXenes）的下一代全固态金属离子电池体系。这一技术路线的推进将有效缓解锂资源短缺问题，推动储能技术向更安全、更可持续的方向发展。