穿上纳米防护服的高容量锂电池更安全耐用

2026-09-04

随着智能手机的普及和电动汽车的快速发展，我们对电池的要求越来越高：既要容量大，又要寿命长。在众多候选者中，一种名为NCM811（镍钴锰酸锂）的材料备受瞩目，因为它的放电容量非常高，每克能释放超过200毫安时的电量。

然而，NCM811有一个致命弱点：它有点“娇气”。电池反复充放电的过程中，这种材料很容易发生结构崩塌和粉化，导致电池容量迅速衰减，不仅缩短了电池寿命，还带来了安全隐患。为了解决这个问题，研究人员找到了一种神奇的“纳米添加剂”-少层/棒状的MXene（一种二维碳化钛材料）。

要把MXene作为添加剂，首先需要把它加工成合适的形状。自然状态下，这类材料的原始结构（Ti₃AlC₂）像是一本厚厚的书，层与层之间紧密结合。研究人员使用了一种类似“化学剥离”的工具和方法：

酸洗腐蚀：先用盐酸和氟化锂混合，把材料中像“胶水”一样的铝原子层给腐蚀掉，让它变成像手风琴一样的多层结构（Ti₃C₂T_x）。
插层与超声：接着，使用了一种叫四丁基氢氧化铵（TBAOH）的化学物质“插”进材料的层间，再配合超声波的震荡，把这些厚厚的材料彻底撕裂、剥开。

经过这样一番操作，原本厚重的材料变成了极薄的“少层”结构，有一部分甚至边缘卷曲变成了“棒状”结构（具体过程可以参考论文中的图1：少层/棒状MXene的制备流程示意图）。这种又薄又细的形态，为后续均匀混合到电池中打下了基础。

有了优质的添加剂，接下来就是把它加进NCM811电池中进行测试。研究人员制作了多组电池，分别加入了不同比例（从0%到5%）的MXene添加剂，然后让它们进行“马拉松式”的充放电比赛。

当添加量恰好为2.5%（被称为2.5-MXene）时，电池表现出了最优异的综合性能（详细数据对比可见论文中的图4：不同MXene添加量下电池的电化学性能图）。

容量更高：在较慢的放电速度（0.2 C）下，加了2.5% MXene的电池放电容量达到了209 mAh/g。
倍率性能更强：哪怕在极快的放电速度下（8 C），普通电池几乎已经“瘫痪”，但这种加了添加剂的电池依然能释放出95 mAh/g的电量。
寿命更长：在经过100次的充放电循环后，未加添加剂的普通电池容量只剩下了最初的53.6%，而2.5-MXene电池依然保持了77.0%的容量，寿命显著延长。

需要注意的是，添加量并不是越多越好。实验发现，当添加量达到3%或4%时，电池的性能反而会大幅下降，因为过多的添加剂会把原有的活性物质“隔离”开来，阻碍了导电。

为什么仅仅添加2.5%的少层/棒状MXene，就能让电池性能显著提升？研究人员深入剖析了背后的逻辑，主要归功于这种材料的“多功能性”（作用机制可见论文中的图7：MXene添加剂增强NCM811机械与电化学性能示意图）：

搭建了“高速公路”：少层和棒状的MXene在电池内部起到了桥梁作用，它们与电池材料形成了点、线、面的全方位接触，建立了一个高效的导电网络，让电子和锂离子跑得更快。
自带“储电”属性：MXene的层状结构本身就能储存和释放一部分锂离子，这就好比给电池外挂了一个小水箱，直接提升了电池的总容量。
提供了“缓冲气囊”：电池在充放电时，材料体积会发生膨胀和收缩，容易导致破裂。MXene具有弹性的层间距，能像海绵一样吸收这些形变，保护内部颗粒不被撑破。
穿上“防腐蚀外衣”：MXene表面带有氟（-F）等功能基团，它们能在电池材料表面促进形成一层坚固的物理保护膜（LiF），阻止电池液对材料的直接腐蚀。
“锁定”关键金属原子：计算机模拟（DFT计算）发现，MXene就像一块强力磁铁，能牢牢吸附住镍、钴、锰等金属原子，防止它们在长期的充放电中“离家出走”（避免金属析出和相变），从而维持了材料内部结构的稳定。

学者介绍：刘屹东，中国科学院力学研究所研究员、博士生导师，国家级特聘专家。主要从事高性能材料与器件、合成化学及功能材料研究，研究内容涉及高性能聚合物与复合材料、新能源与储能材料、热管理与相变材料、石墨烯及二维材料等方向，聚焦材料结构设计、合成制备与性能调控，以及先进功能材料在能源存储、电子器件和工程应用中的关键科学与技术问题。

ORCID：0000-0002-8412-9076

DOI：10.1039/C9TA12683J