基于Ti3C2Tx材料在鈉離子電池中的應(yīng)用進(jìn)展

曾 敏，陳 淋，李 星，王明珊

(西南石油大學(xué) 新能源與材料學(xué)院，成都 610500)

在清潔能源中，太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等是其主要組成部分，但其高效利用需要儲(chǔ)能技術(shù)特別是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的支持[1]。近年來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，各種金屬離子電池應(yīng)用層出不窮。鈉離子電池具有鈉資源豐富、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，有望成為下一代低成本、高能量密度的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)[2-3]。

然而，鈉離子電池在應(yīng)用過(guò)程中，由于鈉離子半徑較大，導(dǎo)致鈉離子在電極材料中擴(kuò)散動(dòng)力不足，尋找合適的鈉離子電池正負(fù)極材料是鈉離子電池應(yīng)用的關(guān)鍵。二維材料憑借其優(yōu)異的物理化學(xué)特性，成為鈉離子電池研究應(yīng)用中的熱點(diǎn)。與其他材料相比，二維材料具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，可調(diào)節(jié)的原子級(jí)厚度和電子性能等優(yōu)點(diǎn)，有利于鈉離子的擴(kuò)散[4-5]。此外，其優(yōu)異的化學(xué)活性和大比表面積能降低電子傳輸能量勢(shì)壘并提高表面的電容存儲(chǔ)[6-7]。二維材料種類(lèi)繁多，包括石墨烯、磷烯、硅烯、過(guò)渡金屬硫化物(TMDs)、六方氮化硼(h-BN)和MXene等[8-11]。MXene是近年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)特殊的二維材料，具有類(lèi)石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)、金屬導(dǎo)電性、寬層間距等優(yōu)點(diǎn)，因此在各金屬離子電池領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，其在鈉離子電池領(lǐng)域中的研究也是逐年增加，正逐漸成為研究的熱潮。本文綜述了近年來(lái)Ti3C2Tx基材料在鈉離子電池中的研究進(jìn)展，隨后結(jié)合研究的應(yīng)用趨勢(shì)，分析Ti3C2Tx基復(fù)合材料應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

1 Ti3C2Tx簡(jiǎn)介

1.1 Ti3C2Tx的結(jié)構(gòu)與制備

MXene是一類(lèi)過(guò)渡金屬碳(氮)化物的總稱(chēng)，由美國(guó)德雷塞爾大學(xué)Gogotsi教授團(tuán)隊(duì)在2011年首次報(bào)道[12]。如圖1(a)，(b)所示，該材料是通過(guò)選擇性刻蝕三元陶瓷MAX相中的A原子層所得，結(jié)構(gòu)可以用通式Mn+1XnTx表示，其中M代表過(guò)渡金屬元素，可為T(mén)i，V，Cr，Ta，Nb，Mo等，X代表C或者N元素，Tx代表材料表面所帶官能團(tuán)(—O，—OH，—F等)[13-15]。由于結(jié)構(gòu)中含有碳層，MXene材料具有類(lèi)石墨烯的高導(dǎo)電性，同時(shí)也繼承了陶瓷相母體材料的高力學(xué)性能。此外，MXene的合成策略多種多樣，使其具有豐富可調(diào)的表面官能團(tuán)。上述特性使MXene材料適用于儲(chǔ)能、催化、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域[16-18]。Ti3C2Tx是最早發(fā)現(xiàn)的MXene材料，近年來(lái)在鈉離子電池領(lǐng)域開(kāi)始嶄露頭角。

Ti3C2Tx的制備方法主要分為兩種：一種是氫氟酸刻蝕法，即直接使用高濃度氫氟酸作為刻蝕劑刻蝕Ti3AlC2原料[19]。該方法反應(yīng)較為劇烈，獲得的Ti3C2Tx材料層間距約為0.96 nm(如圖1(c)中Ⅱ所示)，進(jìn)一步，氫氟酸刻蝕法所得的Ti3C2Tx材料可使用額外的插層劑(如DMSO，TMAOH等)來(lái)擴(kuò)大其層間距，以便于后續(xù)的剝離工序，層間距可進(jìn)一步擴(kuò)大到1.4 nm(如圖1(c)中Ⅲ所示)[20]。另一種制備Ti3C2Tx的方法是使用氟化鋰/鹽酸的混合體系，通過(guò)原位生成低濃度氫氟酸來(lái)刻蝕Ti3AlC2原料，獲得多層Ti3C2Tx材料[21]。該方法中，刻蝕劑中的鋰離子會(huì)自發(fā)插層到多層Ti3C2Tx材料中，可觀(guān)察到其(002)面衍射峰與氫氟酸刻蝕法相比向低角度偏移，說(shuō)明鋰離子插層擴(kuò)展了層間距。由氫氟酸刻蝕法和氯化鋰/鹽酸刻蝕法所得的Ti3C2Tx材料形貌如圖1(d)，(e)所示，兩種方法獲得的Ti3C2Tx材料均呈手風(fēng)琴“開(kāi)口”結(jié)構(gòu)，其主要差異在于塊體材料“開(kāi)口”的數(shù)量。這是由于手風(fēng)琴狀“開(kāi)口”主要依賴(lài)于刻蝕劑中氫氟酸濃度。濃度越高，刻蝕反應(yīng)產(chǎn)生氫氣速率越高，所以氫氟酸刻蝕法“開(kāi)口”較多。但由于范德華力與氫鍵的作用，刻蝕掉Al元素后，這兩種Ti3C2Tx材料在單片層間仍保持層層堆疊結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)一步結(jié)合超聲策略來(lái)克服層間作用力將多層塊體剝離，獲得少層的Ti3C2Tx納米片(圖1(f))[22]。目前研究使用的Ti3C2Tx材料主要為手風(fēng)琴狀多層塊結(jié)構(gòu)和少層納米片結(jié)構(gòu)兩種。

圖1 Ti3C2Tx的結(jié)構(gòu)與制備(a)MAX相和MXene的結(jié)構(gòu)[7]；(b)從MAX相到少層MXene納米片制備流程示意圖[19]；(c)Ti3AlC2(Ⅰ)、氫氟酸刻蝕手風(fēng)琴狀多層Ti3C2Tx(Ⅱ)、DMSO插層多層Ti3C2Tx(Ⅲ)與剝離后的Ti3C2Tx(Ⅳ)的XRD譜圖[20]；(d)氫氟酸刻蝕法所得的手風(fēng)琴狀多層Ti3C2Tx SEM圖[21]；(e)氟化鋰/鹽酸刻蝕法所得的塊狀多層Ti3C2Tx的SEM圖[21]；(f)單層與雙層Ti3C2Tx的TEM圖[22]Fig.1 Structure and preparation of Ti3C2Tx(a)structure of MAX phase and MXene[7]；(b)schematic diagram of preparation process from MAX phase to few layer MXene nanosheets[19]；(c)XRD patterns of Ti3AlC2 (Ⅰ),hydrofluoric acid etched accordion-like multilayer Ti3C2Tx (Ⅱ),DMSO intercalated multilayer Ti3C2Tx(Ⅲ) and delaminated Ti3C2Tx(Ⅳ)[20]；(d)SEM image of accordion-like multilayer Ti3C2Tx obtained by hydrofluoric acid etching[21]；(e)SEM image of bulk multilayer Ti3C2Tx obtained by lithium fluoride/hydrochloric acid etching[21]；(f)TEM images of single and double layer Ti3C2Tx[22]

1.2 Ti3C2Tx的電化學(xué)性能

由于Ti3C2Tx的二維特性，其層內(nèi)可提供快速的離子傳輸通道，且近金屬的高導(dǎo)電性減少了電子傳輸能壘，大的比表面積可提供豐富的反應(yīng)活性表面，可調(diào)的表面官能團(tuán)可提供更靈活的應(yīng)用策略，同時(shí)良好的固液浸潤(rùn)性有望減少界面電荷傳輸阻抗[23]。由密度泛函理論計(jì)算可知，Ti3C2Tx是作為各類(lèi)金屬離子電池(Li+，Na+，K+，Ca2+)的潛力負(fù)極材料之一，其單層結(jié)構(gòu)基于吸脫模型的理論容量分別達(dá)到447.8，351.8，191.8 mAh·g-1和319.8 mAh·g-1[24]。

在實(shí)際的應(yīng)用中，Ti3C2Tx發(fā)揮的儲(chǔ)鈉容量卻遠(yuǎn)低于理論預(yù)測(cè)水平。Wang等[25]和Kajiyama等[26]研究了多層Ti3C2Tx的儲(chǔ)鈉性能及鈉離子脫嵌機(jī)理。結(jié)果表明，多層Ti3C2Tx的可逆儲(chǔ)鈉容量約為100 mAh·g-1。材料的STEM圖揭示了鈉離子在嵌入過(guò)程中經(jīng)歷了從表面到體相的擴(kuò)散過(guò)程，通過(guò)兩相轉(zhuǎn)變和固溶反應(yīng)可逆地嵌入/脫出Ti3C2Tx層間。在鈉離子嵌入過(guò)程中，部分溶劑分子也嵌入Ti3C2Tx層間穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)，所以隨后的電化學(xué)過(guò)程中并不發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，這解釋了Ti3C2Tx具有良好循環(huán)穩(wěn)定性的原因。Lv等[27]則研究了插層與超聲處理后的Ti3C2Tx的儲(chǔ)鈉性能，其中部分多層Ti3C2Tx被剝離為少層結(jié)構(gòu)后，使其相較于多層Ti3C2Tx容量略有提升。Wu等[28]也同步研究了少層Ti3C2Tx的儲(chǔ)鈉性能。研究表明，經(jīng)溶劑輔助高能球磨法制備的少層Ti3C2Tx納米片具有更好的層結(jié)構(gòu)，更有利于表面與電解液的浸潤(rùn)，使其在100 mA·g-1電流密度下循環(huán)500周次后保持了196 mAh·g-1的可逆比容量，性能明顯優(yōu)于多層Ti3C2Tx?？傮w而言，無(wú)論是多層還是少層結(jié)構(gòu)，Ti3C2Tx實(shí)際儲(chǔ)鈉性能仍遠(yuǎn)低于理論容量，這是由于自堆疊效應(yīng)以及表面官能團(tuán)的影響?；诖?，當(dāng)前Ti3C2Tx在鈉離子電池負(fù)極中的應(yīng)用主要有兩種策略(圖2)：一是對(duì)Ti3C2Tx做改性處理，提升其儲(chǔ)鈉容量；二是將Ti3C2Tx用作導(dǎo)電基體或包覆材料，與碳、合金類(lèi)化合物、過(guò)渡金屬化合物等材料復(fù)合，利用其優(yōu)異的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性與力學(xué)性能，提升電極整體性能。本文將從多層和少層兩類(lèi)結(jié)構(gòu)Ti3C2Tx展開(kāi)，總結(jié)層間距改性、摻雜改性、形貌調(diào)控等改性手段對(duì)Ti3C2Tx的儲(chǔ)鈉行為影響，綜述其用于鈉離子電池負(fù)極及其復(fù)合材料的設(shè)計(jì)策略，對(duì)Ti3C2Tx基復(fù)合材料所面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)提出建議。

圖2 Ti3C2Tx基鈉離子電池負(fù)極材料的設(shè)計(jì)策略Fig.2 Design strategies of Ti3C2Tx based anode materialsfor sodium-ion batteries

2 多層Ti3C2Tx在鈉離子電池中的應(yīng)用研究

2.1 多層Ti3C2Tx的改性研究

2.1.1 擴(kuò)大層間距

Luo等[31]采用40%氫氟酸刻蝕得到多層Ti3C2Tx，然后使用NaOH處理得到Na-Ti3C2材料，其多層Ti3C2層間距從0.98 nm增大到1.26 nm(圖3(a)，(b))，Na+在層間形成柱撐效應(yīng)，大大提升了材料的儲(chǔ)鈉性能。在100 mA·g-1的電流密度下，200周次循環(huán)后該材料比容量達(dá)到175 mAh·g-1，而原始的Ti3C2容量?jī)H98 mAh·g-1。該材料性能提升的原因是堿金屬離子的自發(fā)插層導(dǎo)致Ti3C2層間距擴(kuò)大，從而縮短了Na+擴(kuò)散路徑，并增加了Na+存儲(chǔ)位點(diǎn)。隨后他們又使用S原子對(duì)Ti3C2進(jìn)一步進(jìn)行了層間修飾，成功制備了S原子柱撐的Ti3C2[32]。在先采用CTAB對(duì)Ti3C2進(jìn)行預(yù)處理后，再將其與單質(zhì)硫混合熱處理，利用熱擴(kuò)散使S原子進(jìn)入Ti3C2層間，最終得到了層間距擴(kuò)大的S原子共價(jià)柱撐的Ti3C2(圖3(c))。材料在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中不可避免地會(huì)使Ti3C2被氧化，較高溫度的熱處理會(huì)引入硫化鈦新相(400 ℃以上)。該材料在10 A·g-1下循環(huán)500周次保持了100 mAh·g-1的穩(wěn)定儲(chǔ)鈉容量。這種高電化學(xué)活性主要來(lái)源S原子插入后帶來(lái)的共價(jià)柱撐效應(yīng)，同時(shí)，材料中形成的部分Ti—S鍵可以與嵌入的Na+反應(yīng)，使Ti3C2層進(jìn)一步打開(kāi)，這為T(mén)i3C2提供了更大的層間空間來(lái)提升Na+存儲(chǔ)能力。

圖3 多層Ti3C2Tx的改性(a)堿金屬離子柱撐Ti3C2制備工藝示意譜圖[31]；(b)堿金屬離子柱撐Ti3C2的XRD譜圖[31]；(c)S原子共價(jià)柱撐Ti3C2的XRD圖[32]Fig.3 Modification of multi-layers Ti3C2Tx(a)schematic diagram of preparation process of alkali metal ion pillared Ti3C2[31]；(b)XRD patterns of alkali metal ion pillared Ti3C2[31]；(c)XRD patterns of S atoms covalent pillared Ti3C2[32]

2.1.2 摻雜改性

引入雜原子摻雜(如N，P，S等)改善材料性質(zhì)已在石墨烯研究得到廣泛應(yīng)用，通常情況下雜原子可以通過(guò)產(chǎn)生缺陷和氣孔來(lái)調(diào)節(jié)電子性能[33]。具有類(lèi)石墨烯結(jié)構(gòu)的MXene同樣也不例外，Lu等[34]通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，氮摻雜會(huì)促進(jìn)形成Ti—O—N鍵，提高材料電子導(dǎo)電性，同時(shí)氮原子摻雜替代氟端會(huì)減少空間位阻效應(yīng)。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)一步揭示出氮元素?fù)诫s可通過(guò)改善材料的贗電容性能。這表明對(duì)于MXene材料，使用摻雜改性來(lái)改變其表面組成，對(duì)于材料的電化學(xué)性能提升具有正面作用。

Li等[35]對(duì)Ti3C2Tx進(jìn)行了硫摻雜處理，提升了其鈉離子儲(chǔ)存能力。研究人員將多層Ti3C2Tx與硫脲一同熱處理，利用硫脲熱分解產(chǎn)生的H2S與Ti3C2Tx反應(yīng)，最終得到硫摻雜的Ti3C2Tx。該材料在500 mA·g-1的電流密度下，2000周次循環(huán)后比容量為145 mAh·g-1，展示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，而原始的Ti3C2Tx容量?jī)H為75 mAh·g-1。Sun等[36]也利用簡(jiǎn)單的浸漬策略，對(duì)Ti3C2Tx進(jìn)行了硫摻雜處理，并將其用于鈉離子電池負(fù)極材料，該材料在2 A·g-1的電流密度下，1000周次循環(huán)后仍然擁有135 mAh·g-1的可逆比容量，在5 A·g-1的高電流密度下，比容量依然達(dá)到136.6 mAh·g-1，展示出優(yōu)異的循環(huán)性能與倍率性能。這種硫改性材料電化學(xué)性能提升的原因可能在于硫摻雜提升了材料的導(dǎo)電性，同時(shí)，Ti—S鍵的形成可以與嵌入的鈉離子反應(yīng)，提供額外的容量貢獻(xiàn)。

MXene材料豐富的表面官能團(tuán)(—F，—O，—OH等)對(duì)于其電化學(xué)性能有較大影響。理論計(jì)算表明，氟端表面基團(tuán)會(huì)增大材料擴(kuò)散能壘，同時(shí)氟端的存在會(huì)阻礙堿金屬離子的空間占用，不利于得到高容量的電極材料。而且氟端在材料放電時(shí)，處于惰性狀態(tài)，不參與電化學(xué)反應(yīng)，參與電化學(xué)反應(yīng)的是含氧基團(tuán)，更多的含氧基團(tuán)的存在，利于提升電極材料的電容性能。所以不同于一般的雜原子摻雜，Wu等[37]提出了全新的表面富氧官能化改性策略，采用廉價(jià)易得的維生素C作為表面修飾劑與多層Ti3C2Tx一同熱處理，在防止Ti3C2Tx被氧化為T(mén)iO2的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行表面富氧處理。未加維生素C的Ti3C2Tx易被氧化，產(chǎn)物中有明顯的TiO2氧化峰，而加入維生素C的Ti3C2Tx-VC-300則沒(méi)有TiO2的氧化峰。電化學(xué)結(jié)果顯示，該材料在循環(huán)2500周次后擁有153 mAh·g-1的儲(chǔ)鈉比容量，遠(yuǎn)高于普通非富氧Ti3C2Tx(68 mAh·g-1)。結(jié)合表征后發(fā)現(xiàn)普通非富氧Ti3C2Tx在長(zhǎng)循環(huán)過(guò)后趨向于形成無(wú)定型納米態(tài)，而表面富氧的Ti3C2Tx則在長(zhǎng)循環(huán)過(guò)后保持了一定尺寸的晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這表明表面官能化對(duì)于Ti3C2Tx的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有巨大的提升。

2.2 多層Ti3C2Tx的復(fù)合材料

單純的多層Ti3C2Tx雖然穩(wěn)定性較好，但其儲(chǔ)鈉性能相對(duì)較低，改性后比容量仍然難以超過(guò)200 mAh·g-1。目前，主流的研究是與其他種類(lèi)高比容量材料(如過(guò)渡金屬硫化物、硒化物)復(fù)合，將Ti3C2Tx作為基底材料，利用其優(yōu)異的導(dǎo)電性與豐富的表面化學(xué)性質(zhì)，起到相得益彰的效果。

MoS2作為典型的二維過(guò)渡金屬硫化物材料，具有較高的儲(chǔ)鈉理論比容量(670 mAh·g-1)[38]。Wu等[39]通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法，將MoS2納米片原位生長(zhǎng)在多層Ti3C2Tx片層間，得到了MoS2/Ti3C2Tx復(fù)合材料，該材料在100 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)100周次后，比容量約為251 mAh·g-1。Du等[40]同樣利用簡(jiǎn)單水熱法，在多層Ti3C2Tx片層間原位生長(zhǎng)了MoS2納米片(圖4(a))，得到了MoS2/Ti3C2Tx復(fù)合材料。如圖4(b)所示，在多層Ti3C2Tx的手風(fēng)琴“開(kāi)口”內(nèi)，納米尺寸的MoS2小片均勻地生長(zhǎng)在其間。這種結(jié)構(gòu)材料在100 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)70周次后，容量約為331 mAh·g-1。與純相的MoS2或者Ti3C2Tx相比，復(fù)合材料具有較好的倍率性能和較快的離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。原因是具有小尺寸和多孔特性的MoS2納米片生長(zhǎng)在MXene片層間將使材料暴露出更大的電極-電解液接觸面積，增強(qiáng)了材料離子傳輸動(dòng)力學(xué)。此外，MoS2納米片擴(kuò)大了MXene的層間空間，提供了利用其高倍率和固有贗容性效應(yīng)的機(jī)會(huì)。錫基硫化物/硒化物也具有典型的層狀結(jié)構(gòu)[41]。Zhang等[42]通過(guò)兩步法，經(jīng)過(guò)水熱和退火兩步后，將SnS納米顆粒均勻地分散在Ti3C2Tx片層之間，形成了獨(dú)特的三明治結(jié)構(gòu)。該材料在100 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)50周次后，容量約為410 mAh·g-1。Fan等[43]通過(guò)液相還原與后續(xù)的硒化處理，成功在Ti3C2Tx片層間復(fù)合了SnSe2顆粒(圖4(c))，得到了SnSe2/Ti3C2Tx復(fù)合材料。該復(fù)合材料的介孔結(jié)構(gòu)賦予其較大的比表面積，同時(shí)SnSe2的插入也減緩了Ti3C2Tx的自堆疊，所以在1 A·g-1的電流密度下，循環(huán)455周次后，仍保持了245 mAh·g-1的比容量(圖4(d))。在使用多層Ti3C2Tx作為復(fù)合材料基底時(shí)，一般是采用自下而上的合成策略。通過(guò)原位生長(zhǎng)的方式，在多層MXene開(kāi)放的手風(fēng)琴結(jié)構(gòu)中生長(zhǎng)小尺寸的過(guò)渡金屬硫族化合物。但這種策略對(duì)于多數(shù)過(guò)渡金屬硫族化合物并不適用，原因在于多層MXene的手風(fēng)琴狀“開(kāi)口”僅為亞微米尺寸，這要求復(fù)合的材料具有納米尺寸，且生長(zhǎng)過(guò)程不發(fā)生團(tuán)聚，上述要求顯著加大了合成策略的實(shí)現(xiàn)難度，使得多層Ti3C2Tx復(fù)合材料的應(yīng)用受限。

圖4 硫族化合物/多層Ti3C2Tx復(fù)合材料的性能(a)MoS2/Ti3C2Tx復(fù)合材料制備示意圖[40]；(b)MoS2/Ti3C2Tx復(fù)合材料的SEM圖[40]；(c)SnSe2/Ti3C2Tx復(fù)合材料的制備示意圖[43]；(d)SnSe2/Ti3C2Tx復(fù)合材料的循環(huán)性能[43]Fig.4 Performance of metal chalcogenide/multi-layers Ti3C2Tx composites(a)schematic illustration of synthesis of MoS2/Ti3C2Tx composites[40]；(b)SEM image of MoS2/Ti3C2Tx composites[40]；(c)schematic illustration of synthesis of SnSe2/Ti3C2Tx composites[43]；(d)cyclic properties of SnSe2/Ti3C2Tx composites[43]

3 少層Ti3C2Tx在鈉離子電池中的應(yīng)用研究

少層Ti3C2Tx具有超薄的特性與極高的比表面積，同時(shí)由于其膠體分散性，這使其具有多種多樣的組裝策略?；谏賹覶i3C2Tx在鈉離子電池中的研究大概可分為基于少層Ti3C2Tx為主相的形貌調(diào)控和摻雜改性應(yīng)用于鈉離子電池，以及以少層Ti3C2Tx為基體材料的Ti3C2Tx基復(fù)合材料應(yīng)用于鈉離子電池研究。

3.1 少層Ti3C2Tx的改性研究

3.1.1 形貌調(diào)控

在上述Ti3C2Tx的制備過(guò)程中，無(wú)論是HF刻蝕還是LiF和HCl刻蝕，所得的Ti3C2Tx都是多個(gè)片層自堆疊的手風(fēng)琴塊體形貌。自堆疊會(huì)減少其比表面積和表面活性位點(diǎn)，同時(shí)也減少了材料與電解液的接觸，減弱電子與離子的傳輸動(dòng)力學(xué)，所以改變MXene材料的二維堆疊形貌，使其呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一個(gè)有效的增加活性?xún)?chǔ)鈉反應(yīng)位點(diǎn)的手段。

Zhao等[44]采用犧牲模板法結(jié)合自組裝策略，將Ti3C2Tx組裝成了三維立體結(jié)構(gòu)。該策略用PMMA微球作模板，在范德華力的作用下，Ti3C2Tx薄片自發(fā)包覆在PMMA微球上，然后再使用高溫退火去除PMMA，最終得到空心微球形貌的Ti3C2Tx。該材料在500 mA·g-1的電流密度下，1000周次循環(huán)后容量仍然高達(dá)295 mAh· g-1。Xie等[45]則以單質(zhì)硫作為模板，成功制備了多孔Ti3C2Tx。這種多孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高度各向無(wú)序的結(jié)構(gòu)，材料可以同時(shí)具有高的電子導(dǎo)電性和快速的離子傳輸。該材料作為鈉離子電池負(fù)極，在1 A·g-1和10 A·g-1的電流密度下分別保持了166 mAh· g-1和124 mAh· g-1的容量，在1 A·g-1下循環(huán)1000周次后仍保持180 mAh·g-1的比容量，展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率與循環(huán)性能。Zhao等[46]采用簡(jiǎn)單的靜電自組裝法，成功將Ti3C2Tx組裝為三維多孔結(jié)構(gòu)。該方法是將堿液(MOH，M=Li，Na，K)與Ti3C2Tx的少層分散液混合，利用靜電自組裝的原理使其凝絮化，得到三維多孔結(jié)構(gòu)Ti3C2Tx。其中，LiOH處理得到的Li-c-Ti3C2Tx在100 mA·g-1的電流密度下，300周次循環(huán)后容量保持在162 mAh·g-1。在形成三維多孔結(jié)構(gòu)后，Ti3C2Tx的自堆疊減少，暴露出更多的表面積，同時(shí)離子擴(kuò)散效率得到提升，所以材料的電化學(xué)性能得到明顯提升。

3.1.2 摻雜改性

對(duì)于少層Ti3C2Tx材料為主體相的摻雜改性研究較少，而在其他的以Ti3C2Tx為基體網(wǎng)絡(luò)的研究中，Ti3C2Tx基體會(huì)同時(shí)摻雜某些雜原子，提升網(wǎng)絡(luò)框架的穩(wěn)定性與導(dǎo)電性。

Fan等[47]將模板法與摻雜改性相結(jié)合，使用聚三聚氰胺微球作為模板，利用MXene材料表面豐富的含氟、氧等官能團(tuán)與其進(jìn)行氫鍵自組裝，然后再進(jìn)行高溫退火去除模板，最終得到了三維多孔的氮摻雜Ti3C2Tx。該材料在4 A·g-1電流密度下，循環(huán)3000周次后仍可保持165.5 mAh·g-1的高可逆比容量。這表明三維多孔的Ti3C2Tx具有短的電子、離子傳輸路徑，而氮摻雜使材料具有更多的儲(chǔ)鈉活性位點(diǎn)與穩(wěn)健的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，兩者相結(jié)合可更進(jìn)一步地提高材料的儲(chǔ)鈉性能。Li等[48]同樣使用模板法，用硫作為模板的同時(shí)又作為硫源，得到了表面硫修飾的多孔Ti3C2Tx自支撐薄膜電極。電化學(xué)結(jié)果表明，該電極在100 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)200周次后可以保持206.2 mAh·g-1的穩(wěn)定比容量。這種模板法引入的介孔結(jié)構(gòu)提供了理想的離子傳輸通道，同時(shí)介孔結(jié)構(gòu)不會(huì)顯著犧牲Ti3C2Tx薄膜的高密度，其在1 A·g-1下循環(huán)5000周次也可保持345.6 mAh·cm-3的高體積比容量。同時(shí)，Ti3C2Tx的表面硫摻雜也有利于鈉離子的擴(kuò)散，這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)該電極材料的高體積比容量至關(guān)重要。

3.2 少層Ti3C2Tx的復(fù)合材料

少層Ti3C2Tx材料經(jīng)過(guò)改性后，容量較多層Ti3C2Tx有了較大提升，但在高儲(chǔ)鈉性能上仍沒(méi)有本質(zhì)的突破，主流的研究趨勢(shì)是將其作為基底材料與其他高比容量負(fù)極材料復(fù)合，充分利用少層MXene的大比表面積、高導(dǎo)電性與力學(xué)性能，合理構(gòu)建多級(jí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電極的高倍率與強(qiáng)穩(wěn)定性。

3.2.1 碳/少層Ti3C2Tx復(fù)合材料

碳材料具有來(lái)源廣、成本低、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，是鈉離子電池的研究熱點(diǎn)之一[49]。但若不加以改性處理，增加活性表面，各類(lèi)碳材料的容量較低，同時(shí)穩(wěn)定性也難以滿(mǎn)足需求，需要引入高比表面積與豐富表面化學(xué)的MXene基底來(lái)提升電極材料整體性能。

Zhao等[50]利用噴霧噴涂的方式，將還原氧化石墨烯(rGO)與少層Ti3C2Tx層層交替噴涂(圖5(a))，最終得到了MXene/rGO柔性自支撐異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜材料。該自支撐異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜在50 mA·g-1的電流密度下，獲得了約600 mAh· g-1的高可逆比容量。如圖5(b)所示，在TEM圖下可以清晰觀(guān)察到MXene與rGO的兩相異質(zhì)界面，這種層層堆疊的異質(zhì)結(jié)構(gòu)促進(jìn)了電子及離子的傳輸，各層MXene材料間的rGO薄膜阻礙了MXene的自堆疊，增大了其活性表面積。Sun等[51]利用簡(jiǎn)單的真空輔助抽濾法，將硬碳顆粒與少層Ti3C2Tx分散液混合抽濾成柔性自支撐薄膜并將其應(yīng)用于鈉離子電池(圖5(c))。MXene材料具有較好的力學(xué)性能，開(kāi)放的三維多孔結(jié)構(gòu)能夠允許活性物質(zhì)發(fā)生較大的體積變化。硬碳與MXene質(zhì)量比2∶1的復(fù)合樣品在50 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)300周次，仍然保持382.4 mAh·g-1的高可逆比容量，其容量保持率接近100%。Cao等[52]則采用兩步法制備了基于黑曲霉菌衍生的生物質(zhì)碳/MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種在一維真菌衍生的富氮碳質(zhì)納米纖維上包覆二維MXene的異質(zhì)多孔形貌(圖5(d))可以較好地克服了MXene材料自聚集性大、容量衰減快的缺點(diǎn)，使該材料在1 A·g-1下循環(huán)1000周次后保持了201.5 mAh·g-1的儲(chǔ)鈉比容量。因此，碳材料與MXene復(fù)合在穩(wěn)定性方面具有較好的潛力，但在高容量?jī)?chǔ)鈉方面仍需要進(jìn)一步探索。

圖5 碳/少層Ti3C2Tx復(fù)合材料(a)rGO/Ti3C2Tx異質(zhì)結(jié)構(gòu)自支撐薄膜制備示意圖[50]；(b)HC-MX自支撐電極的制備示意圖[51]；(c)rGO/Ti3C2Tx異質(zhì)結(jié)構(gòu)的TEM圖[50]；(d)MXene@NCRib復(fù)合材料的SEM圖[52]Fig.5 Carbon/few-layers Ti3C2Tx composites(a)schematic diagram of preparation of rGO/Ti3C2Tx heterostructure self-supporting films[50]；(b)schematic diagram of preparation of HC-MX self-supported electrode[51]；(c)TEM image of rGO/Ti3C2Tx heterostructure[50]；(d)SEM image of MXene@NCRib composite material[52]

3.2.2 合金化合物/Ti3C2Tx復(fù)合材料

合金化類(lèi)材料是鈉離子電池負(fù)極材料的重點(diǎn)研究對(duì)象，主要包括金屬Sn，Sb，Bi以及非金屬P元素等。合金化材料的優(yōu)點(diǎn)是理論儲(chǔ)鈉容量高，例如磷具有最高的理論儲(chǔ)鈉比容量(約2600 mAh·g-1)[53]，但合金化過(guò)程中體積效應(yīng)巨大，電極粉化開(kāi)裂嚴(yán)重，導(dǎo)致循環(huán)性能的急劇惡化。引入具有相當(dāng)力學(xué)性能的柔性Ti3C2Tx作為基底是提升合金化材料循環(huán)穩(wěn)定性的有效手段。

Zhang等[54]將HF刻蝕得到多層Ti3C2Tx與紅磷直接混合球磨得到混合材料，其中紅磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。該材料在100 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)150周次后，容量約為400 mAh·g-1，容量保持率約為66%。Li等[55]通過(guò)簡(jiǎn)單的液相混合法，將少層的黑磷納米顆粒分散液與少層Ti3C2Tx分散液混合超聲，再輔助以真空抽濾得到了黑磷與MXene的復(fù)合材料，其中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為16.7%。將該材料用于鈉離子電池負(fù)極材料，在100 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)60周次后，容量?jī)H剩121 mAh·g-1，容量保持率僅為30%。雖然加入MXene材料后，這種簡(jiǎn)單的物理混合對(duì)于磷的穩(wěn)定性提升效果有限，還是需要更強(qiáng)的化學(xué)相互作用才能保證材料的穩(wěn)定性。后續(xù)，Guo等[56]利用液相組裝配合冷凍干燥的方法，將少層的黑磷分散液與少層Ti3C2Tx分散液混合組裝成復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%。將該材料應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極，在100 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)100周次后，容量約為467 mAh·g-1，容量保持率約為87%。Zhao等[57]進(jìn)一步利用靜電自組裝的方法，將PDDA修飾的帶正電的少層黑磷分散液與帶負(fù)電的少層Ti3C2Tx分散液混合組裝成分子級(jí)別的層層自組裝異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%，同時(shí)使磷與MXene材料形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合。該材料在100 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)500周次后，得到了約1112 mAh·g-1高可逆比容量，甚至在1 A·g-1的大電流密度下，循環(huán)2000周次，仍然保持658 mAh·g-1的穩(wěn)定可逆比容量，容量保持率接近100%。采用一定手段使磷與MXene材料形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵合可以有效地增強(qiáng)復(fù)合材料的穩(wěn)定性，這可能是MXene基合金化類(lèi)復(fù)合物的潛力方向之一。Zhang等[58]制備了Sb納米錨定在Ti3C2Tx納米片上的Sb/Ti3C2Tx復(fù)合材料。該材料呈現(xiàn)三維多孔結(jié)構(gòu)，暴露出較多的活性表面，同時(shí)MXene的三維框架可有效緩解Sb納米顆粒的體積效應(yīng)，使復(fù)合材料循環(huán)性能得到穩(wěn)定提升。Ma等[59]則是制備了Bi納米顆粒負(fù)載于Ti3C2Tx納米片上的Bi/Ti3C2Tx復(fù)合材料。其中Bi納米顆粒均勻分散在Ti3C2Tx納米片上，使其可以充分接觸電解液的同時(shí)，體積膨脹效應(yīng)也大為緩解。導(dǎo)電的Ti3C2Tx基底為其提供了優(yōu)異的循環(huán)與倍率性能，使其在8 A·g-1大電流密度下實(shí)現(xiàn)了307 mAh·g-1的高比容量，同時(shí)在5 A·g-1下循環(huán)2500周次可保持301 mAh·g-1的穩(wěn)定可逆比容量。

3.2.3 金屬氧化物/Ti3C2Tx復(fù)合材料

金屬氧化物是儲(chǔ)鈉材料中的一大家族，部分氧化物材料具有來(lái)源與成本的雙重優(yōu)勢(shì)。金屬氧化類(lèi)材料普遍的問(wèn)題是導(dǎo)電性較差，同時(shí)基于轉(zhuǎn)換反應(yīng)的金屬氧化物類(lèi)材料體積效應(yīng)較大，所以引入Ti3C2Tx導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建三維多孔層級(jí)結(jié)構(gòu)是研究的方向之一。

Guo等[60]通過(guò)簡(jiǎn)單的液相合成法，使用SbCl3溶液作為Sb源，制備了Sb2O3/Ti3C2Tx復(fù)合材料。該材料在50 mA·g-1的電流密度下，循環(huán)50周次后，容量約為470 mAh·g-1，容量保持率接近100%。后續(xù)他們又通過(guò)靜電自組裝的方法，將少層的Ti3C2Tx分散液與APS修飾過(guò)帶正電的TiO2微球自組裝，得到了穩(wěn)定的Ti3C2Tx/TiO2復(fù)合物[61]。復(fù)合物中MXene層可以顯著提高整個(gè)材料的電導(dǎo)率，保護(hù)TiO2微球的結(jié)構(gòu)完整性，有利于形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面。Wu等[62]通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱方法，將3D花狀VO2原位生長(zhǎng)在少層Ti3C2Tx納米片上，并將其應(yīng)用于鈉離子電池。結(jié)果表明，原位生長(zhǎng)的VO2具有良好的結(jié)晶性，屬于單斜晶系，其與MXene間存在較強(qiáng)的化學(xué)鍵合，同時(shí)VO2的存在也阻止了MXene的自堆疊效應(yīng)，使該材料隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其容量甚至超過(guò)了初始穩(wěn)定容量。

3.2.4 金屬硫族化合物/Ti3C2Tx復(fù)合材料

金屬硫族化合物類(lèi)材料普遍較高的儲(chǔ)鈉容量使其成為了研究的熱點(diǎn)之一，但該類(lèi)材料基于轉(zhuǎn)換反應(yīng)的電化學(xué)過(guò)程所帶來(lái)的體積效應(yīng)巨大，往往造成循環(huán)性能的迅速惡化[63]。這類(lèi)材料通常需要納米化，或構(gòu)建復(fù)雜的分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)其體積膨脹，而少層Ti3C2Tx多種多樣的組裝策略恰好可以滿(mǎn)足其需求。金屬硫族化合物與少層Ti3C2Tx復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建種類(lèi)繁多，大概有以下幾類(lèi)：第一類(lèi)是將金屬硫族化合物尺寸零維化，使其成為納米級(jí)別顆粒并分散于少層Ti3C2Tx納米片上構(gòu)建零維/二維結(jié)構(gòu)或零維/三維網(wǎng)絡(luò)體系。該結(jié)構(gòu)目的在于使納米顆粒的金屬硫族化合物能夠充分得到導(dǎo)電MXene網(wǎng)絡(luò)的支撐，暴露出更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)。Huang等[64]采用兩步法，先將鈷基MOF材料ZIF-67負(fù)載于Ti3C2Tx納米片上，再通過(guò)后續(xù)的熱處理硫化工序，最終得到了Ti3C2Tx/CoS2@NC復(fù)合材料。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)分為三級(jí)結(jié)構(gòu)，先是CoS2納米顆粒與多孔氮摻雜碳復(fù)合，然后CoS2@NC再進(jìn)一步錨定于Ti3C2Tx納米片之上。這種結(jié)構(gòu)可以有效穩(wěn)定充放電過(guò)程中鈉離子的脫嵌能力，使材料在2 A·g-1的電流密度下循環(huán)1500周次仍可保持200.6 mAh·g-1穩(wěn)健儲(chǔ)鈉能力。圖6為金屬硫化物/Ti3C2Tx復(fù)合材料性能圖[65-67]。Yao等[65]采用簡(jiǎn)單水熱法以及后續(xù)的熱處理，成功制備了三維多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)的CoS納米顆粒和氮摻雜碳與Ti3C2Tx復(fù)合的新型復(fù)合材料((CoS NP@NHC)@MXene)。圖6(a)為該材料的TEM圖，可以看到其中MXene形成了超疏松多孔的氣凝膠結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既能預(yù)留足夠空間抑制體積變化，還能促進(jìn)離子的擴(kuò)散，增強(qiáng)鈉離子存儲(chǔ)的反應(yīng)活性。在5 A·g-1大電流密度下，該材料實(shí)現(xiàn)了511.1 mAh· g-1的超高比容量，在1 A·g-1下循環(huán)700周次可保持420 mAh·g-1的可逆比容量，展現(xiàn)出優(yōu)異的鈉離子儲(chǔ)存性能(圖6(b))。

圖6 金屬硫族化合物/Ti3C2Tx復(fù)合材料的性能(a)(CoSNP@NHC)@MXene復(fù)合材料的TEM圖[65]；(b)(CoSNP@NHC)@MXene復(fù)合材料的循環(huán)性能[65]；(c)Sb2S3/Ti3C2Tx復(fù)合自支撐薄膜電極制備示意圖[66]；(d)Sb2S3/Ti3C2Tx復(fù)合自支撐薄膜的循環(huán)性能[66]；(e)MX-H-MoS2@NC復(fù)合自支撐電極截面SEM圖[67]；(f)MX-H-MoS2@NC復(fù)合自支撐電極的循環(huán)性能[67]Fig.6 Performance of metal chalcogenide/ Ti3C2Tx composites(a)TEM image of (CoSNP@NHC)@MXene composite[65]；(b)cyclic properties of (CoSNP@NHC)@ MXene composites[65]；(c)schematic diagram of preparation of Sb2S3/Ti3C2Tx composite self-supported thin film electrode[66]；(d)cycle performance of Sb2S3/Ti3C2Tx composite self-supported thin film electrode[66]；(e)SEM image of MX-H-MoS2@NC composite self-supported electrode section[67]；(f)cyclic performance of MX-H-MoS2@NC composite self-supported electrode[67]

第二類(lèi)是將金屬硫族化合物尺寸細(xì)化為一維納米棒結(jié)構(gòu)，再與少層Ti3C2TxMXene納米片組裝構(gòu)建一維/二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)或一維/三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Yang等[66]通過(guò)自組裝的方法，先分別制備了Sb2S3納米線(xiàn)與Ti3C2Tx前驅(qū)體，最后通過(guò)靜電自組裝得到Sb2S3納米線(xiàn)/Ti3C2Tx復(fù)合自支撐薄膜電極(圖6(c))。該復(fù)合薄膜電極無(wú)需集流體，且使用Ti3C2Tx作為導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使電極得到優(yōu)異的循環(huán)與倍率性能，在2 A·g-1的大電流密度下可保持接近600 mAh·g-1高儲(chǔ)鈉性能，1 A·g-1下循環(huán)500周次也能保持464 mAh·g-1可逆比容量(圖6(d))。Cao等[68]進(jìn)一步將Ti3C2Tx材料與微生物衍射碳以及一系列過(guò)渡金屬硒化物相結(jié)合，得到三種復(fù)合材料(Cu1.75Se-MXene-CNRib，NiSe2-MXene-CNRib，CoSe2-MXene-CNRib)。該特殊結(jié)構(gòu)首先通過(guò)微生物吸附的方法，將MXene納米片吸附于黑曲霉菌帶形成二維層級(jí)結(jié)構(gòu)，后續(xù)再通過(guò)金屬離子吸附以及熱處理硒化，得到Cu1.75Se，NiSe2，CoSe2以及MXene和黑曲霉菌衍射碳絲帶復(fù)合的三維層級(jí)結(jié)構(gòu)。這種層級(jí)結(jié)構(gòu)在增大材料比表面積的同時(shí)，顯著降低了金屬硒化物的堆疊，而豐富的層級(jí)結(jié)構(gòu)在導(dǎo)電的同時(shí)也緩解了體積膨脹，使Cu1.75Se-MXene-CNRib材料在1 A·g-1下循環(huán)1000周次后可保持480.7 mAh·g-1的高可逆比容量，展現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鈉能力。

第三類(lèi)則是針對(duì)層狀金屬硫族化合物，將小尺寸化的納米片金屬硫族化合物前驅(qū)體與少層Ti3C2TxMXene納米片組裝成二維/二維異質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)或者二維/三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Wu等[69]通過(guò)真空輔助過(guò)濾，制備了由SnS2納米片與Ti3C2TxMXene納米片組裝的異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。在這種結(jié)構(gòu)中，MXene納米片能提供穩(wěn)定的互連導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并能抵抗SnS2充放電過(guò)程中的體積變化，同時(shí)SnS2納米片的加入可以提供多種擴(kuò)散途徑和鈉離子吸附活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，使該材料具有高容量、高速率、長(zhǎng)循環(huán)性能。Wu等[67]設(shè)計(jì)了一種新型的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)自支撐電極。該電極將MoS2納米片組裝在多孔碳球網(wǎng)絡(luò)中形成三維結(jié)構(gòu)后，再將多孔MoS2微球與少層Ti3C2Tx分散液混合，真空輔助抽濾最終得到了自支撐復(fù)合薄膜電極(MX-H-MoS2@NC)。圖6(e)為復(fù)合電極的截面SEM圖，可以看到MoS2微球被Ti3C2Tx良好地包覆住，形成一個(gè)分級(jí)結(jié)構(gòu)整體，而這種分級(jí)結(jié)構(gòu)可以為復(fù)合物的體積效應(yīng)提供多重緩沖，改善電極循環(huán)穩(wěn)定性。在5 A·g-1的大電流密度下該復(fù)合電極表現(xiàn)出優(yōu)良的循環(huán)與倍率性能(圖6(f))。

表1[50-52,54-62,64-82]統(tǒng)計(jì)了近年來(lái)少層Ti3C2Tx基復(fù)合材料在鈉離子電池中的應(yīng)用，可以看出，在鈉離子電池負(fù)極材料改性中，大多數(shù)研究是基于Ti3C2Tx的高導(dǎo)電性與大比表面積，將其作為導(dǎo)電基體引入體系中，提升電極導(dǎo)電性與穩(wěn)定性。其中在使用Ti3C2Tx時(shí)，可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是直接使用多層Ti3C2Tx；二是將多層Ti3C2Tx剝離成比表面積更大的少層Ti3C2Tx使用。無(wú)論使用多層還是少層Ti3C2Tx，主要是根據(jù)主體相材料設(shè)計(jì)時(shí)的實(shí)際需求。主體材料若是基于自下而上的設(shè)計(jì)思路，也就是原位引入Ti3C2Tx的思路時(shí)，多層Ti3C2Tx結(jié)構(gòu)是可以適當(dāng)考慮的；當(dāng)主體材料是基于自上而下的設(shè)計(jì)思路，也就是分步引入Ti3C2Tx時(shí)，考慮到主體材料的分散性問(wèn)題，一般是采取少層Ti3C2Tx作為電極的基本框架。

表1 少層Ti3C2Tx基復(fù)合材料的鈉離子儲(chǔ)存性能Table 1 Sodium ion storage properties of few layer Ti3C2Tx based composites

續(xù)表1

4 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了多層和少層兩類(lèi)結(jié)構(gòu)的Ti3C2Tx用于鈉離子電池負(fù)極材料的設(shè)計(jì)策略。單純的Ti3C2Tx直接用作鈉離子電池負(fù)極材料時(shí)容量并不理想，層間距修飾、形貌調(diào)控、摻雜改性等策略均對(duì)Ti3C2Tx的容量提升有所幫助。制備復(fù)合材料是發(fā)揮Ti3C2Tx材料特性的有效手段之一，理想的合成策略應(yīng)當(dāng)基于充分利用MXene高導(dǎo)電性、高倍率、良好力學(xué)性能與穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)，針對(duì)主體材料的特點(diǎn)，合理選擇多層還是少層結(jié)構(gòu)材料作為基底。構(gòu)建多孔網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與分級(jí)結(jié)構(gòu)是研究的熱點(diǎn)，其能夠較好地利用MXene的大部分特性，提升電極材料整體穩(wěn)定性。

但MXene在鈉離子電池負(fù)極材料中的應(yīng)用也面臨以下挑戰(zhàn)：(1)安全性問(wèn)題，目前常規(guī)的MXene合成仍離不開(kāi)危險(xiǎn)的含氟化學(xué)試劑，需要加速推進(jìn)綠色安全合成方法的研究進(jìn)展；(2)規(guī)?；苽鋯?wèn)題，簡(jiǎn)單高效批量合成MXene的策略仍未實(shí)現(xiàn)；(3)部分改性策略機(jī)理還未清晰，如大部分摻雜改性的研究都聚焦于性能開(kāi)拓，但性能提升的深層次原因至今仍未了然；(4)純MXene材料容量不夠理想，若想實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)鈉容量往往改性手法復(fù)雜，不利于規(guī)模化應(yīng)用；(5)復(fù)合材料中規(guī)則框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)建尚未成功，而各向異性的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將不利于高體積能量密度的實(shí)現(xiàn)。在后續(xù)的研究中，應(yīng)當(dāng)針對(duì)以上具體問(wèn)題進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也要關(guān)注新興技術(shù)手段的應(yīng)用，利用聲、光、熱、磁等多個(gè)領(lǐng)域的合成策略，關(guān)注原位表征技術(shù)以及理論計(jì)算的指導(dǎo)，只有充分利用好目前可利用的技術(shù)手段，才能更好地開(kāi)拓出未來(lái)MXene應(yīng)用領(lǐng)域的新一片天地。