为了满足国防及民用尖端领域对高性能二次电池的迫切需求，锂硫电池因单质硫的超高理论容量（1675mAh/g）及其高能量密度（2600Wh/Kg）优势被学术界和产业界公认为是继锂离子电池之后最具应用前景的电化学储能体系之一。然而，锂硫电池的商业化应用仍面临如下问题：1）多硫化锂（Li2Sx）在充放电过程中发生“穿梭效应”导致长循环容量不断衰减；2）锂化后硫的体积膨胀率较大（~80%）；3）Li2Sx由正极区扩散至锂负极表面会与Li反应，造成锂硫电池的自放电现象，并在其表面形成钝化层；4）锂金属负极枝晶形成与粉化，引起热失控。
与传统结构材料（碳、聚合物和金属基化合物）相比，MXene因电导率高、比表面积高、表面化学性质可控、存在丰富的缺陷和空穴位，在锂硫电池领域展现出潜在的应用前景。在层间的氢键和范德华力作用下，MXene纳米片极易发生堆叠，极大地影响离子的快速扩散和活性位点的有效利用率。因此，合理构建MXene基异质界面至关重要，这对提升电极的利用率有很大的优势。对此，华东理工大学功能炭材料研究团队詹亮教授、张永正博士联合中科院纳米所蔺洪振研究团队王健博士（现于德国卡尔斯鲁厄理工学院），从MXene基异质结的性质、功能和结构设计出发，详细综述了各类异质结其对Li2Sx的吸附、催化氧化还原以及对均匀诱导金属锂沉积等方面的研究进展。文章以“Interface engineering of MXene-based heterostructures for lithium-sulfur batteries”为题发表于Nano Research, 硕士研究生吴斯屿为文章第一作者。
在该综述中，围绕锂硫电池中存在的上述关键科学问题，简要回顾了锂硫电池的工作原理，总结归纳了MXene及其异质结构的物化特性。根据成分不同，本文将MXene基异质结构主要分为六类: MXene/碳异质结构、MXene/金属化合物异质结构、MXene/有机框架材料异质结构、MXene/聚合物异质结构、MXene/单原子异质结构和特殊的高熵MXene，详细总结并分析了MXene基异质结构在增强硫氧化还原动力学和抑制锂负极枝晶生长方面的作用机制。此外，作者还指出MXene基异质结构在锂硫电池中的重点关注方向，包括测试手段、合成方法、理论计算和实际应用等。本文将为MXene基异质结构的设计制备及其在锂硫电池的应用提供重要参考。
图1. MXene基异质结构在锂硫电池中的分类和功能
图1. MXene基异质结构在锂硫电池中的分类和功能
