陈忠伟院士/徐杰：最新Nano Energy！

具有高理论容量、高能量密度和低成本的钠化学电池在替代传统锂离子电池方面引起了极大的关注。不幸的是，基于钠化学的电池存在许多紧迫问题，包括化学活性高、反应动力学缓慢、中间体溶解/穿梭以及钠金属枝晶生长严重，这严重限制了它们的发展和进一步商业化。MXene被认为是解决上述问题有希望的候选者，因为它们具有优异的内在特性，包括二维(2D)形态、机械柔韧性、优异的导电性、可调节的表面特性和大表面积。

加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士、安徽工业大学徐杰、德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心杨超等总结了采用MXene架构的钠化学电池的最新进展。

图1. MXene架构的示意图

在此，作者首先讨论了MXene材料的合成方法和各种钠化学电池的工作原理。然后，基于代表性的工作，从设计理念、制备方法、工程策略、结构和成分调整、各种MXene的特定功能和电化学性能的角度分析了钠化学电池的几个典型案例。

最后，提出并讨论了钠化学电池的剩余挑战/问题和未来前景。作者相信这篇综述可以为MXene架构的开发及其在钠化学储能设备中的实际应用提供新的见解。

图2. 采用MXene架构的不同钠化学电池的典型充电/放电曲线

尽管已经取得了较大进展，但在钠化学电池从实验室阶段推广到实际应用的过程中，仍然存在一些挑战/问题。因此，作者提出了一些可行的未来的研究。

(1)应探索更多具有独特微米和纳米结构的MXene架构，并将其用于钠化学电池。迫切需要具有低成本、环境友好性和简单制备工艺的MXenes。此外，鼓励将MXene架构用于其他钠化学电池，例如钠氧电池、钠碲电池和钠二氧化碳电池，以验证MXene的功能范围。

图3. 用于钠离子电池的具有不同负电原子的MXenes

(2)应开发有效的方法来生产具有受控层和尺寸的MXene薄片。石墨烯、碳纳米管和碳层等碳质材料已与MXene片材结合，但碳质材料和MXene片材之间的组合需要系统地优化。无机物质也可以与MXene片材结合，因为它们具有高电化学性能和有效防止MXene层堆叠。此外，应系统地深入研究各种组合，以了解所取得的电化学结果。

(3)需要清楚了解使用MXene架构的不同钠化学电池的工作原理。例如，应确定Na-S和Na-Se电池在不同工作阶段的确切中间体，因为它们显著影响硫属元素主体的设计和构建。一旦钠化学电池的工作机制明确，可以解决现有的问题，同时实现优异的电化学性能。

图4. 用于Na-S电池的具有不同形态的MXene架构

(4)应对钠化学电池中的MXenes进行理论研究和先进的表征技术。例如，应该对具有新的端点、空位和掺杂物的MXenes，新的MXene类型，以及钠化学电池中MXene结构的可能工作原理进行理论模拟探索。另外，应进行相应的实验以帮助理解理论研究的结果。此外，应采用更先进的表征技术来探索各种钠化学电池的深入工作原理。

(5)对于实际应用，应优化使用MXene架构的钠化学电池的详细参数。目前，钠化学电池的组装采用纽扣电池，测试参数不适合实际应用。此外，迫切需要使用MXene架构提高钠化学电池的稳定性，特别是在极低/极高的工作温度、高湿度、弯曲状态等恶劣的实验条件下。

Architecture Design of MXene-based Materials for Sodium-chemistry Based Batteries. Nano Energy 2022. DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107590

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