Trojan蓄电池MXene基电池研究进展：从水系体系到固态体系的演进
2026-04-16 10:08:14 点击：次
MXenes已成为推动可充电电池技术从传统水系体系向先进固态架构演进的关键二维材料类别。其卓越的导电性、层状框架和化学可调控的表面末端基团，能够实现对电荷传输、离子存储和界面反应的精确控制。本综述批判性地考察了MXene基电池的最新进展，重点阐明了其在水系和固态储能平台中的功能作用。在水系电池中，MXenes通过优化的表面化学性质和电解液相容性，能够促进快速的氧化还原动力学、高倍率能力和增强的电化学稳定性。随着电池技术向固态结构转型，MXenes作为导电中间层、离子传输促进剂和界面稳定组分崭露头角，可有效降低电极与固态电解质之间的接触电阻并缓解机械失配问题。
本综述还重点关注了关键挑战，如氧化敏感性、苛刻的合成路线以及合成的可扩展性。通过描绘MXene从水系电池到固态电池的集成演化轨迹，本文提出了一个前瞻性框架，以利用MXenes开发下一代高性能且环境友好的储能技术。
引言
镉镍电池（1899年问世）及随后的镍氢电池（20世纪80-90年代上市）显著提升了电池的耐久性与便携性[6]。1991年锂离子电池（LIBs）的诞生标志着重大技术突破，其提供的高能量密度和超过3V的工作电压彻底革新了便携式电子设备与电动汽车领域[7][8]。锂离子电池的工作原理依赖于锂离子（Li+在充放电循环过程中，阴极与阳极之间的关键性能指标——如比容量、能量密度和循环稳定性——均受到电极材料结构和化学特性的决定性影响。2000至2010年代持续的创新催生了高镍正极、含硅负极及改进型电解质，使性能得到进一步提升[9]。当前技术前沿为固态电池（SSBs），其研究在2010年后显著增加，并在2010年代末至2020年代初实现了重大原型展示。从液态电解质电池向固态电池的转型，源于对更高能量密度、更强电化学稳定性及更高安全性的需求[10]。尽管液态电池具有高离子导电性和成本优势，但其受限的电压窗口制约了性能表现，这促使业界转向具有更优热稳定性和枝晶抑制能力的固态电池体系[11]。石墨和硅基材料因其稳定性及与多种正极化学体系的兼容性，常被用作负极材料[12][13]。广泛采用的正极材料包括锰酸锂(LMO)、镍钴铝酸锂(NCA)、磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、镍锰酸锂(LNMO)、镍锰钴酸锂(NMC)和氧化镍锂(LNO)，这些材料在性能、热安全性和成本效益方面各具优势与局限性[1][14]。在这一进展中，MXenes因其金属导电性、可定制的表面化学性质以及可变的层间距，已成为多功能应用的理想材料，应用范围涵盖水性电极至固态界面结构[15][16]。电池化学与MXene设计的协同发展推动了先进储能技术的发展。MXenes作为一种极具前景的储能材料，已引起广泛关注。
自2011年发现以来，这类二维材料已成为广泛研究的焦点，旨在揭示其在下一代储能设备中的潜力[17]。MXenes（Mn+1）由早期过渡金属（M）与碳、氮或两者组合（X）构成，Tn表示表面官能团（如xO、-OH或x式中F表示氟化物基团，“n”代表取值为1、2、3或4的整数[18][19]。MXenes是通过用强酸（如氢氟酸）从MAX相中选择性刻蚀"A"层获得的三元化合物，该相由过渡金属（M）、13-14族元素（A）及碳/氮（X）构成。MXenes独特的构型形成了一种展现优异结构和电化学性能的显著架构，使其特别适合各类电池应用。除Ti₃C₂Tₓ外，Ti₂C、V₂C、Nb₂C、Mo₂TiC₂及Mo₂Ti₂C₃等MXene材料因具有更薄的层状结构、更宽的带隙和更快的离子传输速率等特性，在电池、光热治疗、电催化等领域展现出广阔的应用前景。
O, -OH, or F), and “n” denotes the number with values of 1, 2, 3, or 4 [18], [19]. MXenes are obtained by selectively etching the “A” layer via strong acids (e.g., HF) from the MAX phase, a ternary compound composed of a transition metal (M), an element from group 13–14 (A), and carbon/nitrogen (X). The unique configuration of MXenes results in a distinct architecture exhibiting advantageous structural and electrochemical properties, making these well-suited for various battery applications. Beyond Ti₃C₂Tₓ, MXenes like Ti₂C, V₂C, Nb₂C, Mo₂TiC₂, and Mo₂Ti₂C₃ exhibit unique properties, such as thinner layers, wider bandgaps, and faster ion transport, making them promising for applications in batteries, photothermal therapy, electrocatalysis, etc.MXenes已成为跨越多种电池技术[20][21][22]及超级电容器[23][24][25]领域的多功能材料。在水系电解液系统中，包括水系金属离子电池（如锂离子电池[26]、锌离子电池[27]）和锂硫电池（Li
S）的可逆嵌入/脱嵌[28][29]。在钠/钾离子（Na/K）电池体系[30][31][32]中，MXenes材料通过提升电极导电性、促进离子传输和稳定电极-电解质界面发挥作用[33]。此外，通过掺杂和构建杂化纳米结构可进一步优化MXenes的电化学性能[34]。除水系电池系统外，MXenes在固态电池（SSBs）中的应用也日益受到关注[35][36]，其作用涵盖活性电极材料、改善固态组件间接触的界面层以及高导电性集流体等多种功能[37][38][39]。除已被广泛研究的Ti基MXene外，新兴的非Ti基MXenes材料（如Nb基%%C [40]、Mo基%%C [41]和V基%%C）近年来因其独特的电子结构、氧化还原行为及界面化学特性而日益受到关注。这些特性使其在下一代电池系统（特别是SSBs [42]、[43]、[44]、[45]）中展现出显著优势。Nb3CT2MXene展现出强金属导电性和稳固的层间稳定性，在与固态电解质界面结合时能够实现高效的双离子-电子传输和耐应变电荷存储[42][46]。%% %% CT %% MXene提供了丰富的氧化还原活性位点和可调控的表面终端基团，这有助于促进快速离子扩散并提升与无机/聚合物固态电解质的界面相容性[45]。x MXene, emerging non-Ti MXenes such as Nb2C [40] Mo2C [41] and V2C have recently attracted increasing attention owing to their distinct electronic structures, redox behavior, and interfacial chemistry, which endow them with unique advantages in next-generation battery systems, particularly SSBs [42], [43], [44], [45]. Nb2CTx MXene exhibits strong metallic conductivity and robust interlayer stability, enabling efficient dual ionic–electronic transport and strain-tolerant charge storage when interfaced with solid electrolytes [42], [46]. Meanwhile, V2CTx MXene offers rich redox-active sites and tunable surface terminations that facilitate fast ion diffusion and improved interfacial compatibility with both inorganic and polymer solid electrolytes [45].
自2011年Ti₃C₂Tₓ作为新型二维材料被首次报道以来，MXene基电池系统发展迅速。图1展示了MXene从水系体系到固态电池的演进历程。2012年，Ti₂C MXene被探索用作锂离子电池负极[47]；2013年，Nb₂C和V₂C MXenes也应用于同类领域[48]。2014年，Ti₃C₂被确认为具有前景的锂离子负极材料，同时Ti₂C和Ti₃C₂的应用扩展至非锂离子电池领域[49]。2015年，MXenes被引入锂
针对高面容量需求，研究者开发了无粘结剂MXene负极材料[50]。2016年，MXene基复合材料（如MXene/CNT结构）被应用于钠离子电池[51]。2017年，相关研究进一步扩展至Na+/K+锂离子和铝离子电池领域的研究进展包括碱化MXenes材料[52]、三维框架结构[53]以及V₂C正极[54]。2018年，通过氮掺杂、MXene异质结构设计和全MXene电极开发实现了性能提升[55][56]。2019年，柔性三维多孔MXene结构的突破使其在锂离子、钾离子及准固态电池中获得应用[57]。2020年报道了包括3D打印MXene基无枝晶锂负极在内的先进电极工程技术[58]。2021年，研究开始转向固态电池体系，采用MXene基复合正极并优化界面设计[59]。2022年以来，MXene研究重点全面转向全固态电池领域，聚焦于MXene基复合负极及面向全固态锂2022年报道的S或锂离子系统[60][61]。2023年，MXene接枝固体电解质、无负极固态电池和MXene增强聚合物电解质取得显著进展[42][62][63]。2024年开发出无应变MXene电极、MXene功能化聚合物电解质及柔性固态架构[64][65][66]。2025年推出的混合电解质系统包括离子液体接枝MXene复合材料、生物基MXene复合材料，以及用于稳定锂金属界面的表面工程MXene材料[67][68]。截至2026年，研究已推进至对插层-转化过程的实时成像等先进机理认知阶段[69]。这一发展脉络体现了从水系/传统体系向界面工程与多功能MXene设计驱动的先进固态架构的演进。其二维层状结构、易于表面功能化以及优异的电学性能，使MXenes成为解决传统和下一代储能系统关键局限性的理想候选材料。本篇综述探讨了MXenes在液态电池与固态电池（SSBs）等广泛电池体系中的作用（图2），与先前主要聚焦于钛基MXenes的综述形成鲜明对比。3在单一电池化学体系[16]、水系[9][15]或固态[70]电池系统，以及诸如锂体系[71]等独立电池类型的研究基础上，本综述系统性地涵盖了水系与固态电池体系，并探讨了跨多电池平台的Ti、Nb、V基MXene类材料。2Tx within a single battery chemistry [16], or either aqueous [9], [15], solid state [70], or individual batteries like Li systems [71], this review systematically includes discussion on aqueous and SSB systems with discussion on various MXene-like Ti, Nb, and V-based MXenes across multiple battery platforms.
本综述将MXene化学特性与表面功能化同电池体系中的关键挑战建立关联，全面阐释了从水系电池到固态电池的MXene基系统演化过程中结构-性能-应用的关系链，并建立了通用设计原则以指导高性能MXene储能器件的合理化开发。