用于先进储能器件的缺陷工程化二维及杂化纳米材料批判性综述

《Journal of Energy Storage》：Critical review of defect-engineered 2D and hybrid nanomaterials for advanced energy storage devices

　　**摘要**二维（2D）纳米材料凭借其可调控的电子性质、高比表面积和快速离子传输能力，已成为下一代储能系统的有力候选材料。本综述批判性地考察了缺陷工程化二维材料的最新进展，包括MXenes、石墨烯和过渡金属二硫化物，以及整合了聚合物和金属氧化物的混合纳米结构。文中特别强调了空位、边缘缺陷、掺杂剂和表面功能化在提升电化学性能的同时维持结构稳定性的作用。讨论了支配缺陷密度优化、界面电荷转移和电解质相容性的设计原则，并重点指出性能提升与长期耐久性之间的矛盾。文章对MXene–聚合物–氧化物混合体系的性能进行了批判性评估，并对固态电解质和离子凝胶等新兴电解质系统在提高器件安全性和稳定性方面的潜力进行了评估。此外，还考察了与质量负载、器件级验证、可扩展性、制造可行性和商业化相关的实际问题。尽管已取得显著进展，但缺陷控制、界面退化、可重复性和成本效益的大规模生产等挑战依然存在。文章提出了未来的研究方向，以加速先进储能技术的开发和实际应用。**缩写表**| 缩写 | 全称 ||------|------|| AI | 人工智能 || AR | 增强现实 || B | 硼 || CNTs | 碳纳米管 || CVD | 化学气相沉积 || EVs | 电动汽车 || F | 氟 || HESS | 混合储能系统 || ILs | 离子液体 || IoT | 物联网 || MOFs | 金属有机框架 || N | 氮 || PANI | 聚苯胺 || PEO | 聚环氧乙烷 || PPy | 聚吡咯 || PVA | 聚乙烯醇 || SAMs | 自组装单层膜 || SEI | 固态电解质界面 || SSEs | 固态电解质 || TMDs | 过渡金属二硫化物 |**分节摘要****二维及层状材料中的缺陷控制储能**MXenes、石墨烯和TMDs等二维及层状材料在储能应用中因具有高比表面积、优异导电性以及原子级别的可修改能力而受到广泛关注。这些材料已成为下一代超级电容器和电池的有力候选材料，主要归因于其结构灵活性，使其电化学性质可进行调控[31]。**结合MXenes、聚合物和氧化物的混合纳米结构以实现增强储能**结合MXenes、聚合物和金属氧化物的混合纳米结构已成为储能器件高度有前景的材料类别，因为它们具有实现超越单一组分性能协同效应的潜力[158], [159]。MXenes具有独特的二维结构和高比表面积，与聚合物的电化学活性和金属氧化物的离子导电性相结合，为先进材料的发展开辟了新领域。**缺陷工程化二维及混合材料对器件级储能系统的影响**尽管二维和混合纳米材料中的缺陷工程在材料和电极尺度上展现了显著的性能提升，但其在器件级储能系统中的转化仍受限于实际的电极和系统要求。在实验室研究中，缺陷引起的增益通常是在低质量负载、薄膜配置和过量电解质条件下报告的，这些条件并不能完全代表实际的器件架构。在较厚的**先进电解质系统**电解质是储能器件（如超级电容器和电池）功能的核心，因为在充放电循环中它们促进离子在电极之间的移动[210]。虽然传统液态电解质仍然占主导地位，但它们存在固有的挑战，如可燃性、有毒副产物、泄漏和环境问题。为克服这些缺点，研究人员转向了固态电解质（SSEs）、离子凝胶以及**界面工程和电荷传输机理**电池和超级电容器等储能器件的性能在很大程度上受到电极与电解质之间界面的影响。电极–电解质界面在决定关键性能特征方面起着至关重要的作用，如充放电速率、循环稳定性、能量效率和倍率能力。离子跨越该界面迁移的能力直接影响整体电荷传输效率和器件的**先进储能系统中能量密度与功率密度的权衡**储能系统（特别是电池和超级电容器）的性能通常通过两个关键指标来评估：能量密度和功率密度。能量密度指的是器件每单位体积或质量所能存储的总能量，而功率密度则描述了能量被释放或提取的速度[267]。挑战在于这两个参数之间的固有矛盾。电池通常优先考虑高能量密度以实现长时间使用，使**可扩展性与商业化的挑战**虽然MXenes、石墨烯和TMDs等二维材料在实验室尺度上展现了显著的前景，但将这些材料放大到工业生产仍面临诸多挑战。二维材料的独特性质，包括高比表面积、柔韧性和优异导电性，使其成为储能应用的理想选择。然而，从实验室规模合成到大规模生产的过渡远非易事。二维材料的常见合成方法，如CVD（化学气相沉积），**未来方向与新兴趋势**二维材料在储能领域正快速发展，研究人员正探索新的策略以克服当前的局限性并提高这些材料在实际应用中的性能。随着研究的不断深入，几个未来方向和新兴趋势将塑造下一代储能器件的发展。本节探讨了未来研究的关键领域，重点关注新型材料组合、先进技术和新兴**结论**二维材料和MXene–聚合物–氧化物混合纳米结构不断拓展先进储能系统的性能版图；然而，本综述表明，仅提升性能不足以实现实际应用。缺陷工程虽然能有效提高电容和离子传输，但会在电化学活性、结构完整性和长期稳定性之间引入固有的权衡。过多或分布不均的缺陷**CRediT作者贡献声明****Wei Hown Tee：** 撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、资源、方法论、调查研究、形式化分析、数据管理、概念构思。**Chin Kim Gan：** 资源、调查研究、数据管理、概念构思。**Kian Lun Soon：** 撰写——审阅与编辑、资源、调查研究。**Chia Chao Kang：** 撰写——审阅与编辑。**Junainah Sardi：** 撰写——审阅与编辑。**Mohammadmahdi Ariannejad：** 资源、数据管理。**Zi-Neng Ng：** 撰写——审阅与**利益冲突声明**作者声明不存在已知可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。**致谢**作者衷心感谢泰勒大学、马来西亚马六甲工程大学和厦门大学马来西亚分校对本研究工作的支持。Wei Hown Tee | Chin Kim Gan | Kian Lun Soon | Chia Chao Kang | Junainah Sardi | Mohammadmahdi Ariannejad | Zi-Neng Ng | Jian Ding Tan | Guo Ren Mong马来西亚雪兰莪州梳邦再也47500，泰勒大学创新与技术学院工程学院