南洋理工大学 ，南洋理工大学国家教育学院洪辉祥教授和李佩诗教授，Small综述：MXene基材料在多价离子电池应用中的近期进展

第一作者：Fu Wangqin (傅王秦)

第二作者：Marliyana Aizudin

通讯作者：Pooi See Lee(李佩诗)*，Edison Huixiang Ang(洪辉祥)*

单位：南洋理工大学 ， 南洋理工大学国家教育学院

多价离子电池因其较高的电荷密度和可持续能源存储解决方案的潜力，近年来受到广泛关注，成为传统锂离子电池的有力替代品。然而，多价离子的扩散缓慢是电极材料面临的主要问题。本文综述了MXene基材料在多价离子电池中的应用潜力，重点讨论了镁（Mg²⁺）、铝（Al³⁺）、锌（Zn²⁺）等离子。MXene的独特结构提供了大的层间距和丰富的表面官能团，有助于高效的离子插层和扩散，使其成为具有优异比容量和功率密度的多价离子电池电极的理想候选材料。

最近，来自国立教育学院/南洋理工大学的Edison Huixiang Ang(洪辉祥)教授和南洋理工大学的Pooi See Lee(李佩诗)教授在著名期刊《Small》上发表了一篇题为《Recent Progress in the Applications of MXene-Based Materials in Multivalent Ion Batteries》的综述文章。该综述强调了MXene基材料在变革多价离子电池领域中的光明前景。

锌离子电池（ZIBs）因锌的丰富性和成本效益而引起了广泛关注，成为传统锂离子电池的替代选择。然而，ZIBs在性能上面临着若干挑战。主要问题之一是其特定容量有限，这主要由于锌离子的插层动力学较慢，因为其离子尺寸较大。此外，在充电过程中，阴极的氢气析出可能导致气体形成和压力积聚，从而影响电池性能和安全性。锌枝晶的形成也是一个关键问题；不均匀的锌沉积形成枝晶，可能刺穿隔膜，导致短路，缩短电池寿命。过渡金属的溶解，例如由于电解液酸性导致的MnO₂中锰的溶解，也进一步加剧了容量衰退。为应对这些挑战，MXene材料提供了有希望的解决方案。MXenes具有高导电性、大表面积和化学稳定性，可以提供均匀的离子分布和稳定的界面，从而帮助减轻氢气析出和枝晶形成等问题。因此，基于MXene的电极能够提升特定容量、充放电速率以及整体电池性能。

铝离子电池（AIBs）由于铝资源的丰富性和高达2980 mAh g⁻¹的理论容量，为锂离子电池提供了一个有吸引力的替代方案。铝离子的三价性质使其能够存储多个电子，理论上提供的能量密度比单价锂离子电池高出2.6倍。然而，AIBs也面临挑战，特别是在电解液方面。氯基电解液可能导致[AlCl₄]⁻等副产物的形成，从而对电池性能和稳定性产生负面影响。为克服这一问题，研究人员正在开发非氯离子液体电解液，这些电解液在稳定Al³⁺离子方面显示出良好前景，并改善电池性能。此外，MXenes的可持续合成方法对提升AIBs的性能和环境影响至关重要。创新方法如CO₂激光合成和增材制造提供了对MXene性能的更好控制，减少了环境影响，为更高效和可持续的电池技术铺平了道路。

多价离子电池（MVIBs）的进展面临若干一般性挑战，包括MXene合成和规模化应用的问题。传统方法如HF酸蚀刻存在环境和安全问题，因为涉及有害化学品和废物管理困难。替代合成方法如碱性溶液蚀刻、熔盐蚀刻和CO₂激光合成提供了更可持续和控制更好的方法。此外，规模化应用中的质量负荷也是一个关键考虑因素。较高的质量负荷可以提高能量密度，但可能影响速率能力和循环稳定性；而较低的质量负荷可以改善速率能力，但可能增加生产复杂性。因此，优化质量负荷对于实现电池设计中的性能、效率和可扩展性之间的平衡至关重要。未来的研究应关注提高MXene合成方法和理解离子充电及脱溶机制，以进一步提升MVIBs的性能和可持续性。

Fu Wangqin (傅王秦)目前是国立教育学院/南洋理工大学的博士生，师从助理教授Edison Huixiang Ang(洪辉祥)。他于2021年在伦敦大学学院（UCL）获得了锂离子电池领域的硕士学位。他目前的研究重点是开发碳基材料用于能源存储应用。

Marliyana Aizudin 获得了国立教育学院/南洋理工大学的生命科学硕士学位，并获得了南洋理工大学的化学与生物化学荣誉学士学位。她目前是助理教授Edison Huixiang Ang(洪辉祥)的博士生。她当前的研究兴趣包括膜技术、太阳能蒸馏脱盐应用和能源存储应用。