综述：MXenes及其复合材料在基于MXenes的锂金属电池负极中的应用进展

《Materials Today Chemistry》：Advances in the application of MXenes and MXene-composites in MXene-based lithium anodes for lithium metal batteries

MXene基锂金属负极最新研究进展，综述其合成方法对材料组成的影响及在抑制枝晶、稳定SEI层方面的应用机制。摘要：

　　MXene作为一种新兴的二维材料，因其独特的物理化学性质在锂金属电池领域受到了广泛关注。随着全球对可再生能源和高效储能技术的需求不断上升，锂金属电池因其极高的理论比容量和能量密度成为研究的热点。然而，锂金属负极在实际应用中仍面临诸多挑战，例如锂枝晶的不可控生长、固态电解质界面（SEI）层的不稳定性以及巨大的体积变化等问题。这些问题不仅限制了电池的循环寿命，还可能导致短路、热失控等安全隐患，阻碍了其商业化进程。因此，探索能够有效解决这些关键问题的新型材料成为当前研究的重点。

MXene材料因其具有可调节的终端官能团、高电导率以及优异的机械性能，被认为是改善锂金属负极性能的理想选择。MXene的结构通常由过渡金属和碳或氮的交替层组成，其终端官能团在材料的合成过程中受到显著影响。这些官能团不仅决定了MXene的化学性质，还对锂离子在电极表面的吸附和迁移行为具有重要调控作用。例如，MXene表面的氧或氟终端官能团可以降低锂离子的迁移能垒，从而诱导锂离子的均匀分布，抑制锂枝晶的形成。此外，MXene的高电导率特性有助于消除局部电荷积累，进一步改善锂沉积的均匀性。

在实际应用中，MXene不仅被单独用于锂金属负极，还被与其他材料复合，以充分发挥其优势。MXene复合材料可以通过多种方式构建，如将MXene与碳材料、金属氧化物、聚合物等结合，形成具有多功能性的复合结构。这种复合策略能够有效提升锂金属负极的结构稳定性、电化学性能和循环寿命。例如，一些研究通过构建三维结构的MXene复合材料，提高了锂离子的传输效率，同时增加了电极的表面积，从而降低了局部电流密度，抑制了锂枝晶的生长。此外，MXene的可调组成特性使其能够适应不同的应用场景，通过改变其组成，可以进一步优化其对锂离子的吸附能力和扩散行为。

MXene的合成方法对最终材料的组成和性能具有重要影响。目前，MXene的制备主要依赖于MAX相材料的刻蚀过程，其中MAX相材料通常由过渡金属（M）、A元素（如Al、Si、Ge等）和X元素（如C、N等）组成。通过选择不同的刻蚀剂，如氢氟酸（HF）或LiF-HCl混合液，可以调控MXene的表面官能团，从而影响其电化学行为。例如，使用HF作为刻蚀剂可以得到表面带有-O官能团的MXene，而使用LiF-HCl混合液则可能引入-F官能团。这些不同的终端官能团在锂沉积过程中表现出不同的行为，其中-F官能团在电化学循环中可以自发形成富含LiF的SEI层，从而增强界面稳定性。因此，MXene的合成方法不仅是制备过程的关键步骤，也对最终材料的性能具有深远影响。

近年来，MXene在锂金属负极领域的研究取得了显著进展。许多研究团队致力于探索MXene的不同应用模式，包括其结构设计、组成调控以及与其他材料的复合方式。通过这些研究，MXene在锂金属电池中的应用潜力得到了充分验证。例如，一些研究采用MXene纳米片自组装的方式构建三维集流体，这种结构能够均匀分布电场，促进锂离子的均匀沉积，从而有效抑制锂枝晶的形成。此外，MXene的丰富表面官能团使其能够与多种材料形成良好的界面结合，从而提升整体电池的性能。

在实际应用中，MXene的结构多样性为其在锂金属负极中的应用提供了广阔的空间。例如，MXene可以被设计成具有多孔结构的材料，以增加其与锂金属的接触面积，提高锂离子的传输效率。同时，MXene的层间可调间距特性使其能够适应不同的电解液环境，从而优化锂离子的嵌入和脱出过程。这些结构特性不仅有助于提升锂金属负极的电化学性能，还为解决其在实际应用中的稳定性问题提供了新的思路。

MXene的组成调控也是其在锂金属电池中应用的重要方面。通过改变MXene的金属元素和非金属元素的种类，可以进一步优化其物理化学性质。例如，一些研究团队通过调整MXene的金属元素，使其具有更高的导电性或更好的机械强度，从而提升锂金属负极的整体性能。此外，MXene的终端官能团可以通过化学修饰进行调控，以适应不同的电化学需求。例如，引入更多的氧或氟官能团可以增强MXene对锂离子的吸附能力，从而提升其在锂沉积过程中的控制作用。

MXene复合材料的开发为锂金属负极的研究带来了新的机遇。通过将MXene与其他材料复合，可以实现性能的协同提升。例如，MXene与碳材料的复合可以进一步提高其导电性，同时增强其结构稳定性。MXene与金属氧化物的复合则可以提升其对锂离子的吸附能力和界面反应活性。此外，MXene与聚合物的复合可以改善其柔性和机械性能，使其更适用于柔性电池等新型储能器件。这些复合策略不仅拓展了MXene的应用范围，还为其在锂金属电池中的实际应用提供了更全面的解决方案。

在锂金属电池领域，MXene的潜力不仅体现在其自身性能的提升，还体现在其对整个电池系统的优化作用。MXene的高导电性和良好的界面特性使其能够有效调控锂离子的沉积行为，从而减少锂枝晶的形成。同时，MXene的结构设计和组成调控也为电池的长期稳定运行提供了保障。例如，通过构建具有均匀电场分布的三维结构，可以显著降低锂金属负极的局部电流密度，从而避免锂枝晶的生长。此外，MXene的终端官能团可以与电解液中的锂离子发生相互作用，形成稳定的SEI层，提高电池的循环寿命。

MXene在锂金属电池中的应用研究还涉及其与其他材料的协同作用。例如，一些研究团队将MXene与纳米结构材料结合，以提升其对锂离子的吸附能力和扩散效率。此外，MXene的表面官能团还可以与其他材料形成强相互作用，从而改善整个电池体系的界面性能。这些协同效应不仅有助于提升锂金属负极的性能，还为开发高性能的锂金属电池提供了新的方向。

随着研究的深入，MXene在锂金属电池中的应用也面临一些挑战。例如，MXene的合成过程可能涉及有毒化学品，如氢氟酸，这在实际生产中需要谨慎处理。此外，MXene的表面官能团在不同环境下的稳定性也会影响其在电池中的长期性能。因此，未来的研究需要进一步探索更加环保和高效的MXene合成方法，同时优化其表面官能团的稳定性，以确保其在实际应用中的可靠性。

总的来说，MXene作为一种具有独特优势的二维材料，在锂金属电池中的应用展现出巨大的潜力。其高导电性、可调组成和丰富表面官能团使其能够有效调控锂离子的沉积行为，提高锂金属负极的稳定性和循环寿命。通过结构设计、组成调控和与其他材料的复合，MXene的应用模式不断拓展，为锂金属电池的进一步发展提供了新的思路和方法。未来的研究应更加关注MXene的合成方法、表面官能团的调控以及其在电池系统中的协同作用，以推动其在实际应用中的进一步突破。