MXene柔性膜电极实现锂-二氧化碳电池二电子反应路径【科学指南针·计算支持·2025】

太原理工大学李雪莲青年教师联合电子科技大学程建丽、王斌教授团队在《Advanced Materials》发表创新研究成果，通过层间拓展的MXene柔性膜电极设计，成功实现锂-二氧化碳电池二电子反应路径。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力反应机理深度解析与材料设计优化。

研究背景与锂-二氧化碳电池挑战

在碳中和背景下，储能技术创新成为实现绿色转型的关键支撑。锂-二氧化碳电池因其高达1876 Wh/kg的理论能量密度，且可直接利用温室气体CO₂，被视为新一代高效清洁储能技术的重要方向。

​核心技术挑战：​​

• 循环过程中易生成难以分解的碳酸锂产物

• 产物堆积导致催化位点覆盖和CO₂运输受阻

• 存在循环效率低、寿命短等性能瓶颈

• 刚性结构限制其在柔性电子中的应用

创新方法：层间拓展MXene柔性膜电极

研究团队创新性地构建了层间距拓展、富含缺陷的MXene柔性膜电极（Ex-Ti₃C₂Tₓ-3），通过调控表面官能团和暴露活性中心，实现二电子反应路径的可逆进行。

​技术突破要点：​​

• 减少羟基数量，暴露更多未配位的钛活性中心

• 增强对放电产物草酸锂（Li₂C₂O₄）的吸附与稳定

• 通过Ti³⁺/Ti²⁺还原偶联位点稳定草酸锂中间产物

• 有效抑制歧化反应，推动二电子反应路径实现

图1.电极材料结构与物化性质表征

材料设计与结构表征

通过精确调控MXene的层间结构和表面化学性质，成功制备了具有优异性能的柔性膜电极。

​结构特征验证：​​

• 层间距离显著拓展，提供更优的离子传输通道

• 表面官能团重构，活性位点密度显著提升

• 缺陷工程增强电极材料的催化活性

• 柔性膜电极展现出色的机械性能和导电性

电化学性能与反应机理

采用Ex-Ti₃C₂Tₓ-3膜电极的Li-CO₂电池展现出卓越的电化学性能，科学指南针支持的理论计算深入揭示了反应机理。

​性能与机理突破：​​

• 充放电极化电位低至0.39V，能量损耗极小

• 循环寿命超过1600小时，稳定性显著提升

• Ti³⁺/Ti²⁺耦合稳定Li₂C₂O₄，阻止歧化为Li₂CO₃

• 显著提升CRR/CER可逆性并降低过电位

图2.第一性原理计算

理论计算与机理验证

通过密度泛函理论计算，深入研究MXene电极材料的电子结构和反应路径，为实验现象提供理论支撑。

​计算研究重点：​​

• 揭示Ti活性中心与反应中间体的相互作用机制

• 验证二电子反应路径的热力学可行性

• 阐明缺陷工程对催化性能的增强作用

• 为材料设计优化提供理论指导

应用前景与总结展望

本研究通过层间结构工程与缺陷调控的创新设计，成功解决了MXene基锂-二氧化碳电池在活性、稳定性和柔性方面的关键技术难题。

​创新价值总结：​​

• 为高性能、长寿命柔性锂-二氧化碳电池奠定技术基础

• 推动零碳技术和柔性电子产业的快速发展

• 为新能源和可穿戴设备应用开辟广阔市场空间

• 为实现全球碳中和目标提供新技术支持

论文信息：Advanced Materials, 2025
DOI：https://doi.org/10.1002/adma.202500064

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