NML综述 | 超越石墨烯：新型二维材料在金属离子电池和超级电容器中的应用

1  全文综述了用于电池和超级电容器电极的新型二维材料，特别是MXene和磷烯。分别介绍了材料的制备技术、材料结构以及比较了不同材料的电化学性能。

2  详细介绍了传统负极材料的局限性以及二维材料在解决这些不足中的重要作用，此外还详述了该领域未来的发展趋势。

在过去的三十年中，锂离子电池已成为主要的电化学储能装置，但是锂离子电池使用的锂和钴存在资源分布不均、储量低以及价格昂贵等问题，因此开发新型的储能体系迫在眉睫。

对于非锂离子电池的储能系统，由于金属离子（钾离子、钠离子、镁离子等）离子半径较大以及动力学较慢，电极正负极材料的发展面临重大的挑战。

二维材料由于其独特的电子结构及物理、化学性质（大表面积、高导电率、高热导率和机械强度）而被广泛地应用于锂、钠、钾二次电池的电极材料，用以满足日益增长的高能量密度、高功率、高倍率性能和循环性能的要求。

目前，有许多二维纳米材料应用到储能材料研究，如石墨烯、过渡金属氧化物、过渡金属二硫化物、磷烯、MXenes等。二维纳米材料的发展为清洁能源装置的研发和应对全球能源需求带来的挑战提供了极大的机遇。石墨烯作为典型的二维材料被广泛应用于储能电池体系的电极材料中。

美国堪萨斯州立大学Gurpreet Singh教授课题组重点综述了除石墨烯之外的用于非锂离子电池体系的新兴二维电极材料。详细比较了二维材料的化学性质、结构和性能参数等。

1  2D材料的结构

图1 2D材料(主要包括磷烯、Mxene和TMD)的晶体结构、晶格参数以及典型的SEM和TEM图像。

二维材料的晶体结构和电子特性决定了其电化学性能，同时单层/几层跟块体材料的形貌差异也影响它们作为电极的电化学性能。

2  电化学储能二维材料的制备方法

图2 用于大规模合成电极材料的各种“自上而下”的制造技术示意图，主要包括：液体剥离、机械剥离、插层辅助剥离和选择性刻蚀剥离。

二维材料的制备方法十分重要，它极大地影响了二维材料的最终形态，电子特性，甚至机械和化学稳定性。

3  新型二维材料

（1）过渡金属二硫化物（TMD）

图3 TMD（MoS₂）作为SIB电极材料的结构表征及电化学性能分析

图4 用于非锂超级电容器的二维TMD电极的结构表征和电化学性能。

（2）Mxenes

由于层状结构和高导电性能，MXenes被认为是最具潜力的金属离子电池负极材料之一。

MXenes不仅具有低的锂离子扩散势垒和高的电导率，可以促进离子/电子运输，而且MXenes与金属氧化物等材料复合，可以缓解它们在充放电过程中体积膨胀的问题。

图5 Mxene在KIB作为电极材料的结构表征和电化学性能分析。

图6 Mxene (N掺杂Ti₃C₂T_x)作为超级电容器电极的结构表征和电化学性能分析。

（3）磷烯

磷烯，作为后石墨烯时代研究的焦点，具有褶皱的二维层状结构，直接能带间隙，层内各向异性及超高的钠电理论比容量，近年来在光电、催化、新能源材料等领域大放异彩。

磷烯具有很高的理论比容量（2596 mAh/g），目前用来制备磷烯的方法主要是液相剥离，但其耗时长、产率低并且易导致晶体缺陷，严重阻碍了磷烯基材料的发展。电化学阴极剥离是一种具有高效、可控、可扩展等优点的方法。

图7 磷烯在钠离子电池作为电极材料的结构表征和电化学性能分析

图8 磷烯作为超级电容器电极的结构表征和电化学性能分析

• 主要研究领域：

长期从事纳米技术领域相关研究工作，重点研究二维材料的加工、结构与性能表征，储能陶瓷，以及液相剥离方法制备原子级氧化石墨烯、钨和二硫化钼薄片并应用在金属离子电池领域。

• 主页链接：

https://www.mne.k-state.edu/people/faculty/singh/

1 硼烯纳米带：一种新型二维结构材料的电学和磁学特性

2 二维纳米片材料的储能应用

3 综述：基于二维过渡金属氧化物和硫化物的光催化剂

Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。

E-mail：editorial_office@nmletters.org

Tel：86-21-34207624