二维MXenes材料助力电池安全性？香港城市大学支春义教授首次报道MXene||Zn电池高电压平台

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2011 年 8 月 22 日，材料领域顶刊 Advanced Materials 发表了美国德雷塞尔大学 Yury Gogotsi  教授和 Michel W.Barsoum 教授的最新研究成果，这篇论文中首次报道了一种具有二维层状结构的过渡金属碳化物 Ti ₃ C ₂ T _x MXene 。 这是第一个 MXene（二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物）成员 ，自此以后，随着 MXenes 合成方法的不断涌现， MXenes 的种类、数量不断扩大，它不仅成为了材料领域的新星，也被广泛应用于储能、生物医药、催化等领域。

在储能应用中， MXenes 对广泛的载流子表现出极好的容纳能力以及优异的倍率性能。然而， MXenes 作为典型的赝电容型电极材料， 在服役过程中表现出快速的电压衰减的缺点、电压平台的缺失降低其能量密度并导致不稳定的电压输出能力 ，因此极大地阻碍了 MXenes 电极的实际应用。

近日，香港城市大学支春义团队在国际顶级期刊 Joule 上发表了他们的最新成果，他们提出了一种高电压激活策略， 不仅实现了水系电解液中 MXene || Zn 电池的出色倍率性能，还发现在放电曲线中位于 1.55 V 处的明显电压平台 ，这是之前报道过的赝电容型 MXenes 电极中从未出现过的。

络绎科学有幸邀请到了 支春义 教授，分享现阶段电池研究现状以及最新研究成果的创新点。

扫码回看支春义教授的报告：水系及固态锌离子电池

锂电池的发展与使用现状

过去几年，特斯拉、小鹏汽车等汽车厂商受到市场的瞩目，小米造车的新闻更是引起热议，新能源汽车概念一时席卷资本市场。新能源汽车备受关注的背后，是政策的支撑，国务院办公厅发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中表明 2015 年以来我国新能源汽车产销量、保有量连续五年居世界首位，在发展愿景这一节中还写到，到 2025 年新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的 20% 左右。而新能源汽车的核心器件是锂电池。

现阶段产研界聚焦于锂电池的发展，许多项目也纷纷聚焦于储能领域。谈到产业对锂电池的关注度时，支春义教授说道，可以发现 大型龙头企业在电池性能方面主要关注能量密度及相关参数，但对于电池的安全性关注不足 。

图 丨 储能发展表（来源：支春义，整理络绎知图）

锂电池安全性问题如何解决？

对于我们经常能在新闻中看到关于锂电池发生爆炸的事故，支春义教授指出锂电池爆炸的原因主要有两点：

1. 充电过程中的热失控

这是锂电池最常见的爆炸原因，是电池充电过程中的失误。在使用锂电池的电子设备中，往往有相关的软件设定了锂电池应有的充电量及充电速度。而一旦相关的设定发生错误，就会让电池中的化合物出现一种研究人员称之为“热失控”的问题，这会引发燃烧或爆炸。同时锂电池温度过高，也会引发爆炸事故。

2. 锂电池控制板电子元器件老化而导致短路

这个原因主要是控制板出现故障。控制板主要存在受潮和电解液渗漏腐蚀的风险，如果说电池本身设计防护为一级保护，那控制板保护则为二级保护，且锂电池控制板的起火或者燃烧将直接影响到整个电池组，后果将不会是单个电池的爆裂，而可能是整个电池组的爆炸和燃烧。

针对上述的问题，支春义教授梳理了目前为了解决锂电池的安全隐患问题，已有的工艺措施及其优缺点：

1. 使用表面涂层材料

即通过锂电池控制板涂层材料，显著提高控制板的品质和防护性能。这个方法可以有效防止电解液对电路控制板的腐蚀、冷凝水湿气、电流电压冲击、部件电池模块因起火而导致整个电池组故障或者燃烧。

2. 采用固态电解质

即采用固态电解质代替现有易燃、易挥发的有机电解液，但固态电解质可选择正极材料范围有限，且离子电导率、界面、化学/电化学稳定性、加工工艺等方面还存在众多问题，阻碍了商业化应用的实现。

3. 以锌箔作为负极

这种方法存在几个难以根除的不足：①锌利用率偏低。目前广泛应用的锌箔负极厚度普遍大于 20 µm（对应面负载量大于 16 mg cm ^{- 2} ），锌金属的超过量极不利于构建高能量密度的全电池器件；②枝晶化生长严重，易诱发电池内部短路。③反复沉积/剥离不可避免地引发电极整体粉化，导致锌电极电接触故障，最终造成电池失效。

4. 有机电极材料

有机电极材料含有丰富的碳、氢、氧等元素而显现出可再生、绿色环保、低成本和高容量等优点。然而，有机电极材料还面临着在电解液中溶解度大、导电性差、密度低等难点问题，其材料特征、作用机理、构效关系等亟待深入理解。

二维材料 MXenes 助力解决此难题

可以看到上述的措施中，并不能有效解决问题，反而带来了更多问题，基于此，支春义教授将目光转到了新兴起的二维材料 MXenes 上，缺乏放电电压平台是 MXenes 电极材料长期存在的问题，导致其在放电过程中能量输出不稳定。在此，支春义介绍说他们发现 高压扫描可以触发 Nb ₂ CTx MXene 电极的电池行为，实现了从纯电容支配行为到扩散控制行为的显著转变过程 。

MXenes 电极在 2.4 V 内的扫描区逐渐释放一个约 1.55 V 的电压平台，并在数百次扫描后占主导地位，这与扫描上限为 2.0 V 时所表现出的赝电容型电化学行为完全不同。简而言之， 这项工作赋予电容性 MXenes 电极一个类电池型电压平台 。他们认为该策略可以拓展到其他 MXenes 材料，以实现更高的能量密度和稳定的电压输出。

对于此次工作使用的高压激活策略，之前也有一定的工作基础，他们曾分别对 PBA、Se 进行高压激活策略，发现均产生良好的平台与GCD曲线，故而有了对 MXenes 的高压激活尝试的想法。

图 丨 对 PBA 进行高压激活策略（来源：支春义，整理络绎知图）

图 丨 对 Se 进行高压激活策略曲线变化（来源：支春义，整理络绎知图）

在高压扫描下，该平台的出现还显著地提高了 Nb ₂ CTx ||Zn 电池的容量。在0.5 A g ^-1 电流密度下放电容量和能量密度增加到 145 mAh g ^-1 和 146.7 Wh k g

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