MXene配置石墨实现极端条件下长寿命锂离子电池

本文针对锂离子电池在极端条件下不可控的锂枝晶问题，报道了一种通过MXene与硅烷偶联剂修饰石墨间的静电相互作用构建MXene配置石墨的创新策略。该策略通过MXene层选择性附着于石墨基面，保留未覆盖的侧边，显著增强了Li+吸附能并降低了锂成核能垒，同时MXene界面与Li(110)面良好的晶格兼容性促进了低温、高倍率下的均匀锂沉积。Ah级软包电池在-20°C、1C下循环1200次后容量保持率高达93%（273 Wh kg?1），远超裸石墨电极（43%，191 Wh kg?1），为开发下一代高性能锂离子电池提供了重要途径。

　　

在当今能源转型的浪潮中，锂离子电池（LIBs）作为电动汽车和便携式电子设备的核心动力源，凭借其高能量密度和长循环寿命赢得了全球瞩目。然而，当环境变得严酷——比如寒冷冬日里零下20摄氏度的低温，或是急需快速充电时的高倍率条件，这些电池便会暴露出致命的弱点：电极界面产生巨大的电化学极化，石墨边缘悄然滋生杂乱无章的锂枝晶。这些枝晶不仅会阻塞锂离子嵌入石墨层间的通道，加剧极化效应，更可能刺穿隔膜引发短路，成为安全隐患。尽管科研人员已尝试通过开发高浓度电解质、构建人工界面层或添加硬碳材料等策略来缓解问题，但如何在极端条件下彻底消除枝晶生长，仍是横亘在电池技术革新道路上的巨大挑战。

正是在这一背景下，来自北京航空航天大学、浙江工业大学和西安交通大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们巧妙利用MXene（一种二维过渡金属碳化物）与氨基硅烷修饰的石墨间的静电相互作用，设计出一种名为“MXene配置石墨”的新型负极材料。该材料不仅显著提升了电池的导电性和离子扩散能力，更通过界面重构实现了锂金属的择优生长，最终在超低温和超高倍率下实现了前所未有的长循环寿命和高能量密度。

研究团队采用了几项关键技术支持这一创新工作：首先通过静电自组装技术构建MXene-石墨异质结构；利用冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）和同步辐射X射线衍射（XRD）解析锂沉积行为；采用密度泛函理论（DFT）计算界面吸附能与晶格匹配度；通过原位压力监测和动态电容测量（DCM）评估电化学性能；并使用 galvanostatic intermittent titration technique（GITT）和分布弛豫时间（DRT）分析离子传输动力学。所有电极样品来源于商业石墨及实验室合成MXene材料，软包电池测试均采用标准工业制备工艺。

Results

研究结果显示，MXene选择性地附着在石墨基面而非边缘，形成独特的MXene-石墨-MXene三明治结构。

DFT计算表明该结构使Li⁺吸附能提升至-3.41 eV（裸石墨仅为-1.03 eV），成核过电位降至12 mV（裸石墨为42 mV），显著降低了锂成核能垒。

Li plating mechanism at MXene interface for MXene-configured graphite

Cryo-TEM分析揭示，锂在MXene界面上沿(110)晶面择优生长，形成致密体心立方（bcc）结构，而非枝晶形态。

晶格失配计算表明Li(110)面与MXene六方晶面的失配度仅7.5%，远低于其他晶面（36.5%-70.7%），证实了界面晶格兼容性对锂均匀生长的关键作用。

The electrical and electrochemical properties of MXene-configured graphite electrode

该电极表现出1084 S cm^?1的高电导率（裸石墨仅350-400 S cm^?1）和11.9 N m^?1的剥离强度。GITT测试显示其Li⁺扩散系数达8.73×10^?11 cm² s^?1（12 mg cm^?2负载下为2.87×10^?11 cm² s^?1），比混合样品高一个数量级。DCM测试表明其锂镀层起始时间推迟至19,549秒，且电容变化斜率仅为裸石墨的1/5，证明其有效抑制了锂枝晶的形成。

The electrochemical performance of pouch cells with MXene-configured graphite electrode under extreme conditions

Ah级软包电池在-20°C、1C循环1200次后容量保持率达93%，能量密度为273 Wh kg^?1（全电池质量），远超裸石墨电极（43%，191 Wh kg^?1）。

原位压力监测显示其平均压力增量仅0.12 kPa（裸石墨为2.37 kPa），表明循环过程中体积变化可忽略不计。

甚至在10C高倍率下，电池仍保持94%的容量保留率和287 Wh kg^?1的能量密度。

该研究通过碳到MXene的界面重构策略，成功解决了锂离子电池在极端条件下的枝晶难题。MXene界面不仅提升了电极导电性和锂成核动力学，其与锂(110)面的晶格兼容性更引导了锂的平面化生长，彻底避免了枝晶形成。这项技术可进一步拓展至硅基负极、锂金属电极等体系，为下一代高安全、高能量密度锂离子电池的商业化应用提供了关键技术支持，尤其在电动汽车、航空航天等低温、高功率应用场景中具有重大价值。