柔性锂硫电池再突破：MXenes 的机制、计算与未来规范

纳米人

2026-04-02

文章简介

近日，北京航空航天大学张世超教授团队联合清华大学周光敏副教授团队在国际期刊EnergyChem（IF=23.8，中国科学院一区）发表题为“Multifunctional Roles of MXenes in Flexible Lithium–Sulfur Batteries: Mechanistic Insights, Computational Perspectives, and Future Standards”的综述文章。该综述系统探讨了将MXene基材料应用于集柔性、高能量密度和高循环稳定性于一体的锂硫电池的设计策略与最新研究进展。并从计算和模拟角度分析了MXene在解决穿梭效应和锂枝晶生长方面的作用。着眼于MXene基材料的结构设计、晶体工程策略、界面调控机制以及电池布局优化，并对基于MXene的柔性锂硫电池所面临的挑战与未来发展方向提出了见解。

图1. MXene应用于柔性锂硫电池的发展时间线

二维过渡金属碳和/或氮化物（MXene）具有高导电性、极性表面基团、出色的亲水性以及良好的柔性，使其在柔性储能器件中展现出巨大潜力。高导电性与多孔结构相结合，有利于实现快速电子转移。此外，丰富的表面基团还使MXene易于与其他功能材料复合，进而构建柔性基体。与传统的碳基材料相比，MXene在柔性锂硫电池中表现出更高的性能优势。基于此，自2017年以来，基于MXene的材料已成为柔性锂硫电池中不可或缺的组成部分。

图2. MXene及其复合材料在柔性锂硫电池应用中的代表性进展时间线

图3. 理论能量密度、力学指标与柔性电池的发展现状

柔性锂离子电池受限于能量密度和成本问题，难以满足大规模的应用需求，而锂硫电池虽然具有高理论能量密度和低成本优势，但其实际应用面临穿梭效应、锂枝晶生长及动力学缓慢等挑战，尤其在柔性化方面需解决组件柔性和结构稳定性等问题。弯曲应力（ε）和能量密度（E_v/E_g）是评估柔性电池性能的关键指标，直接关系到可穿戴设备的循环寿命和性能。

图4. 基于MXene的柔性锂硫电池材料

1、MXene材料的特性与合成

自2011年首次合成Ti₃C₂以来，MXene材料因其独特性质在能量存储领域备受关注。MXene的合成主要通过选择性刻蚀MAX相前驱体中的A元素，常见的刻蚀方法包括氢氟酸（HF）刻蚀和无氟刻蚀，通过超声处理可进一步制备单层MXene。为解决MXene商业化生产中的经济、技术和环境挑战，可采取多种策略。设计支持蚀刻剂再生与循环利用的反应器，有助于降低此类化学品的成本并减少其环境影响。此外，探索化学气相沉积（CVD）等自下而上的制备方法，或在MXene表面构建单原子催化剂，能够增强表面功能化过程的可控性。

由于MXene材料具有优异的性能，因此可以作为锂硫电池的硫正极的基体。首先，MXene表现出优异的导电性和化学吸附能力，有助于缓解锂硫电池中的穿梭效应，从而提高电池的安全性和电化学性能。其次，可以通过表面基团设计增强MXene的稳定性及提高化学吸附效率。除钛基MXene外，其他变体，如V₂CS₂，也具有很好的应用前景。总体来说，表面端基的选择对于MXene材料的功能和稳定性至关重要，使其在锂硫电池中具有更广泛的应用潜力。

图5. MAX相及衍生MXene的电子结构与力学性能分析

2、柔性锂硫电池的工作原理与挑战

与传统电池相比，柔性锂硫电池面临反复弯曲、折叠或拉伸的情况下使用的挑战。因此，集流体、正极、隔膜及负极等关键组分的机械性能尤为重要。必须对其在静态条件以及弯曲、折叠等动态机械变形下的电化学性能进行系统评估。例如，可折叠智能手机的柔性显示屏每天都会经历频繁的弯曲变形，而健身追踪器等可穿戴设备则长期处于持续形变状态。为满足实际应用需求，这类电池必须在持续的机械变形下表现出长期的循环稳定性，以确保其在实际应用中的可靠性和结构的完整性。

因此，有必要建立柔性锂硫电池关键部件的设计标准，以将其与传统刚性电池的设计标准区分开来：（a）关键材料应具有足够的柔韧性，以承受机械变形。（b）关键材料的力学性能应与人体皮肤高度匹配，特别是在最大允许应变、拉伸强度、断裂强度、断裂伸长率、杨氏模量以及对动态机械变形的响应等方面。（c）硫或锂与其各自载体材料之间的界面粘附必须足够牢固，以防止活性材料在机械变形过程中从柔性集流体或柔性一体化电极上脱落，从而确保电极结构的完整性和稳定的电化学性能。（d）关键材料应按其原始顺序稳定连接，以保持连续的电子和离子通路。（e）需重点考察其在机械变形下的电化学性能，包括反复变形和最大变形。（f）在可穿戴应用场景中，应执行更为严格的安全标准，防止易燃液态电解质在机械变形过程中发生泄漏。

3、MXene在锂硫电池中的应用

（1）硫正极

MXenes作为硫的强大导电基质，促进电子传递，并在锂化/脱锂过程中适应体积变化。它们丰富的表面官能团通过强大的化学吸附有效地固定了多硫化物，减轻了穿梭效应。此外，MXene衍生的分层多孔结构为硫及其反应产物体积膨胀提供了足够的空间，从而提高了硫的利用率和循环寿命。

密度泛函理论（DFT）计算表明，MXene对多硫化物的作用机制可归结为两类：化学吸附和电催化。对硫类物质的吸附能是衡量载体材料可用性的关键参数，其值应适中，既要具备良好的固定能力，又要保持分子结构的完整性和可逆性。

图6. MXene及其复合材料应用于硫正极

（2）隔膜

MXenes作为中间层或隔膜涂层的掺入，引入了有效的屏障来抑制多硫化物的迁移。MXene改性的隔膜不仅在物理上阻碍了多硫化物的扩散，而且在化学上锚定了可溶性多硫化物，从而减少了容量衰减，提高了循环稳定性。此外，MXene的催化活性有助于多硫化物的转化，促进更快的氧化还原动力学。

图7. MXene及其复合材料应用于隔膜

（3）锂负极

锂枝晶的形成通常与负极表面电流密度的不均匀分布有关。局部高电场区域促进锂离子的集中还原和沉积，从而形成枝晶形态。MXene的高导电性和层状结构能够在界面处重新分配电位和电子密度，从而在电极表面实现更均匀的电场分布。锂枝晶的抑制机制主要涉及两个方面。首先，MXene出色的导电性能够调节锂金属负极表面的电流分布，通过防止负极表面局部电流集中来引导均匀的锂离子沉积。其次，MXene的亲锂表面官能团降低了锂离子的成核过电位，从而促进均匀的成核和沉积。

图.8 MXene及其复合材料应用于锂负极

4、挑战与展望

尽管MXene材料在锂硫电池正极上的应用已经取得了长足的进展，但为了进一步提高锂硫电池的性能和实用性，仍有几个关键问题有待解决：

（1）提高能量密度：改进活性物质的含量和利用效率，需要对硫基体中的柔性、介孔和反应性基元进行可控组装和合理设计，以实现优秀的界面反应动力学和异质相转移。同时，还需要对具有独特吸附和转化特性的复合材料的微观机制进行进一步的研究。建立孔隙结构、多硫化锂的吸附能、转化能垒以及机械变形耐受性之间的预测关系。此外，层间工程，即对隔膜进行战略性修改，可以促进完全集成的柔性电池的发展。通过在隔膜的两侧实现自组装，使硫正极和锂负极能够无缝地整合到柔性、轻便且性能卓越的储能设备中。

（2）MXene的可控表面化学工程：通过等离子体处理、在受控气氛下进行热退火或化学功能化等手段对表面端基（-O、-F、-OH）进行精确调控，可以调整对多硫化物的吸附强度和催化活性。此外，必须开发出可扩展的合成策略，以确保批次间的一致性和工业兼容性。将实验室级别的表面工程与可制造的加工工艺相结合仍然是实现商业化的关键挑战。

（3）锂负极性能提升：第一个挑战是锂枝晶的非晶态生长以及SEI层的不稳定性。第二个挑战在于在锂受限条件下，锂负极与电解质之间的界面相互作用和反应机制。未来的工作应从基于经验的界面改进转向对锂沉积行为的预测性调控。

（4）构建柔性锂硫电池的通用性能标准与评估平台：目前的研究主要依赖于通过比较电池在动态弯曲/折叠/扭转条件下的运行状况或简单地测试电池组件的拉伸强度来进行定性评估。未来应致力于对不同电池类型和使用场景进行定量比较。此外，可以建立将实验和理论计算相结合的协同设计模型，这有助于全面理解这些电池的运行动态和失效机制。这种方法基于反应机制而非仅仅依靠电化学性能指标来进行评估，将大幅减少重复实验的次数，实现基于机制的材料设计。

（5）柔性集成器件的规模化生产：柔性设备在反复弯曲、折叠和扭折的情况下运行，会导致机械-电化学耦合现象并加速界面的退化。在机械应力下保持正极的结构完整性、调节锂金属沉积、抑制低电流密度下的聚硫化物穿梭现象，以及在长时间动态运行期间保持稳定的电极-电解质界面等问题都亟待解决。

图.9 MXene及其复合材料的总结和展望

未来的研究应侧重于开发可扩展和环境友好的MXene合成路线，以生产具有精确可调控表面功能的MXene。此外，探索具有异质结构和杂化材料的MXene复合材料可以满足未来柔性储能材料兼具优异的电化学性能和机械性能新的要求。解决这些挑战可以为基于MXene的锂硫电池的商业化铺平道路，构建高能量密度、高安全性的锂硫电池。

EnergyChem创办于2019年，是材料领域的高影响力顶级期刊。期刊最新SCI影响因子23.8，在Materials Science Multidisciplinary领域的461本期刊中排名前3%，位列Q1分区。

文章链接

Multifunctional Roles of MXenes in Flexible Lithium–Sulfur Batteries: Mechanistic Insights, Computational Perspectives, and Future Standards

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589778026000096