文献综述报告

这篇题为“Progress in 3D‑MXene Electrodes for Lithium/Sodium/Potassium/Magnesium/Zinc/Aluminum‑Ion Batteries”的文章由 Tariq Bashir, Shaowen Zhou, Shiqi Yang, Sara Adeeba Ismail, Tariq Ali, Hao Wang, Jianqing Zhao 和 Lijun Gao 等人共同署名，所属机构包括 Soochow University 和 Nanjing University，文章发表于期刊 *Electrochemical Energy Reviews*，并于2023年3月在线发表。文章属于综述型论文，系统性地总结了三维(MXene)在多价离子电池与能量存储装置中的研究进展。

主要背景与研究目标

MXene，作为二维过渡金属碳化物和氮化物家族的一员，自2004年石墨烯成功制备以来，迅速成为二维材料领域的新星。由于其独特的高导电性、丰富的表面官能团（如-OH、-O、-F 等）和在多种溶剂中优异的分散性，MXene 在能量存储与转化领域尤为被关注。然而，MXene 纳米片层在制备与应用过程中易发生堆叠，主要由范德华力引起，导致离子动力学缓慢、活性位点数量减少以及电化学性能下降。文章的核心聚焦在通过设计三维(MXene)架构减少堆叠效应，从而增强材料的电化学性能，并总结了三维结构在锂离子电池（LIBs）及其他多价离子电池中的应用现状及潜力。

文章旨在提供对三维(MXene)研究与发展的全面回顾，包括合成、表征、性能及在储能装置中的应用。文章还针对三维MXene材料的未来发展机会与挑战进行展望，希望为研究人员提供更清晰的研究思路。

主要观点解析

1. 三维MXene的发展背景与重要性

作者由社会对于稳定且可持续能源需求的快速增长出发，阐述了现有锂离子电池（LIBs）在材料供应限制及安全性担忧方面存在的难题。文章强调，新型多价离子电池（例如钠离子电池、钾离子电池、镁离子电池、锌离子电池、铝离子电池）因其丰富的资源分布和较高的理论比容量，逐渐展现出取代LIBs的潜力。在此背景下，MXene 材料因其优异的性能成为高效储能材料的竞争者。特别是通过将二维MXene 构建为三维结构，显著提升了材料孔隙率、比表面积以及离子运输通道，解决了二维材料因堆叠带来的诸多限制。

2. 三维MXene的合成策略

文章详尽介绍了三维MXene结构的主要制造方法，包括以下几种：

• 组装法（Assembly Method）：通过交联剂（如Mg2+、Fe2+等）以及核壳交联技术破坏MXene 层间的静电力，从而生成多孔的三维结构。例如，凝胶交联技术能快速制造多孔MXene凝胶。
• 模板法（Template Method）：利用模板（例如聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯），在去除模板后形成定制化多孔三维结构。
• 3D打印：基于MXene浆料的剪切变稀流变特性，能够成功打印结构稳定的三维MXene网络。
• 电纺法（Electrospinning Method）：通过聚合物溶液电纺合成三维纳米纤维网络，与MXene复合使用。
• 气体发泡技术（Gas Foaming）：通过化学反应产生气体，打破MXene片层间的范德华力，生成三维多孔MXene泡沫。
• 气凝胶（Aerogel）和冷冻干燥法：基于冰模板和聚合反应，制备出导电性优异且轻量化的三维MXene 气凝胶。

每种方法的优缺点被充分讨论，尤其关注不同金属离子与MXene层间交互的作用，同时分析了材料在不同温度与化学环境下的稳定性及物理性能。

3. 三维MXene在多价离子电池中的应用

文章系统性探讨了三维MXene材料在不同二次电池（Beyond LIBs）中的应用潜力，这些应用的优势和瓶颈均被详细分析，如：

• 钠离子电池（Sodium-Ion Batteries, SIBs）：由于钠离子比锂离子半径大，传统的电极材料难以高效储存钠离子，MXene 的高电导率与可调层间距为储能提供了可能性。通过 dft计算表明，钠离子在 Ti3C2Tx 中具有较低的扩散势垒（0.41 eV）。
• 钾离子电池（Potassium-Ion Batteries, PIBs）：尽管由于钾离子的较大半径，导致反应动力学较慢，基于三维MXene的电极材料能够合理缓解体积变化，提高循环稳定性。
• 镁离子电池和铝离子电池（Magnesium-Ion Batteries & Aluminum-Ion Batteries, MIBs & AIBs）：文中介绍了一些复合结构（如 Nb2CTx@MoS2 和 Ti3C2Tx/MnO2）的设计，通过扩展MXene层间距及表面修饰减少离子扩散屏障。
• 锌离子电池（Zinc-Ion Batteries, ZIBs）：利用3D MXene和锰基材料的复合设计，显著解决了传统ZIBs循环性能差及枝晶生长问题。例如 Ti3C2Tx@MnO2的微花状结构，提高了300+ mAh/g的容量及优良的倍率性能。

4. 未来的挑战与研究方向

文章提出了三维MXene研究中值得关注的问题与挑战，包括：

• 离子动力学与反应机制： 对钠、镁、钾等多价离子电池中MXene电极的离子存储机制与反应动力学理解仍显不足，建议通过高精度表征手段（如NMR与同步辐射XRD）优化设计。
• 多价离子体系的兼容性： 跨越锂电池的材料设计面临复杂挑战，特别是多价离子与传统电解质不兼容的现象。
• 氧化稳定性： 研究显示，金属离子（Cu2+等）加速MXene的氧化问题亟需优化合成策略，并建议在惰性气氛下完成多价离子辅助组装。

文章意义与学术价值

综述文章通过对三维MXene材料的设计、制备与应用的系统性探讨，为新型储能材料提供了全面的视角。文章不仅展示了MXene在锂以外体系中的适应性和潜在价值，还为解决二维材料堆叠的传统难题指引了新路径。文章提出的MXene改性策略及三维电极结构优化，对储能领域的理论研究和实际应用均具有重要的指导意义。

此外，作者强调结合实验和理论的整合研究，通过完善电化学表征手段（如操作中实验）理解反应机理，进一步推动多价离子电池及新型储能系统的发展目标。