کاربرد مواد دو بعدی به عنوان آند در باتری‌های یون فلزی

چکیده

مواد دو بعدی (2D)، مانند مشتقات گرافن، دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه (TMDها) و MXeneها به دلیل خواص فیزیکی، مکانیکی، مغناطیسی، الکتریکی و شیمیایی منحصر به فرد مورد توجه زیادی قرار گرفته‌اند. از این مواد برای کاربردهای مختلفی از جمله سامانه‌های تولید و ذخیره انرژی استفاده می‌شود. در این بررسی، مسائل اصلی پیش رو، روش‌های مختلف ساخت مواد معدنی دوبعدی و کامپوزیت‌های آن‌ها، خواص اصلی آن‌ها و همچنین کاربرد آن‌ها در باتری‌های یونی لیتیوم، سدیم و پتاسیم مورد بحث قرار می‌گیرد. همچنین، مشکلات ایجاد شده در هنگام شارژ و دشارژ باتری برای این مواد مورد بحث قرار گرفته و راه حل‌های پیشنهادی احتمالی نیز ارائه می‌شود.
به طور کلی، این مقاله بررسی یک نقشه راه کلی در مورد تقاضاهای فعلی و جهت‌گیری‌های تحقیقاتی آینده در مورد مواد دو بعدی برای رسیدگی به محدودیت‌های حیاتی باتری‌های یونی لیتیوم، سدیم و پتاسیم برای نسل بعدی سامانه‌های ذخیره انرژی ارائه می‌کند.

1. معرفی

امروزه سامانه‌های ذخیره‌ساز انرژی مختلفی مانند باتری‌ها، خازن‌ها و ابرخازن‌ها در دسترس هستند. با این حال، توان خروجی این دستگاه‌ها به شدت به کارایی، پایداری و هزینه مواد الکترود بستگی دارد. به عنوان مثال، فلزاتی مانند پلاتین مواد الکترود خوبی در فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی هستند، ولی به دلیل هزینه بالا و محدودیت در دسترسی از نظر اقتصادی به صرفه نیستند. از این رو، تعدادی از فلزات دیگر مانند Co، Ni و Fe به عنوان گزینه‌های احتمالی برای کاربرد در باتری پیشنهاد شده‌اند، اما عملکرد ضعیف آن‌ها در مقایسه با فلزات نجیب موجب شده است دانشمندان به دنبال یافتن مواد دیگر باشند.
خواص فیزیکی و شیمیایی قابل توجه گرافن موجب شده است بسیاری از محققان توجه خود را بر روی مواد دو بعدی متمرکز کنند. تحقیقات در آزمایشگاه‌ها امکان ایجاد انواع مختلفی از نانومواد مانند نیتریدهای بور شش ضلعی (hBNها)، دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه (TMDها)، سیلیسن، ژرمانن و فسفرن را فراهم کرده است. مواد دوبعدی به دلیل دارا بودن نسبت بسیار زیاد سطح به حجم و امکان دسترسی به سطوح داخلی‌شان، تحرک الکترونیکی و چگالی انرژی بالایی را در دستگاه‌های ذخیره ساز انرژی فراهم می‌آورند.

2. گرافن و مواد مرتبط با آن

گرافن یک لایه کربن هیبرید شده sp2 با ضخامت تک اتمی است که در یک شبکه کریستالی لانه زنبوری قرار گرفته است. این ماده دو بعدی است، به این معنی که تمام اتم‌های گرافن روی یک سطح قرار دارند، با این وجود می‌تواند تمام ساختارهای اساسی سایر مواد کربنی مانند گرافیت و نانولوله‌های کربنی را تشکیل دهد. این ترکیب به دلیل ساختار و ویژگی‌های نوآورانه‌اش توجه جهانیان را به خود جلب کرده است. گرافن با مساحت سطح ویژه 2600 متر مربع بر گرم، کاندیدای عالی برای ذخیره سازی لیتیوم به عنوان الکترود آند است. این ترکیب دارای تحرک الکترونی بسیار بالا، رسانایی گرمایی فوق‌العاده، پایداری شیمیایی عالی و همچنین خواص مکانیکی استثنایی است.

2.1. رویکردهای ساخت گرافن و مواد مشتق شده از آن

رویکردهای مختلفی برای ساخت گرافن اتخاذ شده است که می‌توان آن‌ها را به دو دسته تقسیم کرد: (الف) رویکردهای بالا به پایین و (ب) رویکردهای پایین به بالا.
(الف) رویکرد بالا به پایین
برای ساخت گرافن با کیفیت بالا و بدون عیب، دانشمندان به روش لایه برداری روی آوردند که شامل شکستن میکرومکانیکی گرافیت است. گرافیت به شکل پشته‌ای از لایه گرافن توسط نیروهای واندروالس است. بنابراین برای به دست آوردن یک گرافن با ضخامت یک اتم پایدار، نیاز به غلبه بر نیروی جاذبه واندروالسی است. در طی این رویکرد، گرافیت به لایه‌هایی تقسیم می‌شود. در نتیجه، بسیاری از عیوب به عنوان عیوب سطحی در طول جداسازی ورق ظاهر می‌شوند که منجر به بازده پایین می‌شود. از سوی دیگر، لایه برداری اکسید گرافیت یا مشتقات آن برای تولید زیاد گرافن، مقرون به صرفه بوده و دارای بازدهی مقیاس پذیر مناسب است.
ب) رویکرد از پایین به بالا
در این رویکرد، مولکول‌های کربن به‌ عنوان یک بلوک ساختمانی به کار می‌روند که اجازه می‌دهد ورق‌های سطحی بزرگی، علاوه بر نانو نوار‌های گرافنی (GNRها) و نانوذره‌های گرافنی تولید شود، زیرا امکان تولید در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کند. رویکردهای پایین به بالا طراحی شده برای به دست آوردن مواد دو بعدی عبارتند از: (1) رشد حاصل از ذوب فلز-کربن (2) رشد همپایه بر روی کاربید سیلیکون (SiC) (3) روش یخ خشک (4) رسوب گذاری.

2.2. خواص گرافن و مواد مشتق شده از آن

گرافن دارای ویژگی‌های متعددی است که آن را به یک ماده جذاب با پتانسیل فراوان برای استفاده در طیف وسیعی از فناوری‌ها تبدیل می‌کند. خواص گرافن عبارتند از:
(1) خواص الکترونیکی: برخی از دانشمندان دریافتند که ویژگی‌های الکتریکی و الکترونیکی گرافن به تعداد لایه‌های ورقه‌های گرافن وابسته است. (2) ویژگی‌های مکانیکی: مواد مبتنی بر کربن معمولا ویژگی‌های مکانیکی برجسته‌ای را نشان می‌دهند. به عنوان مثال، الماس سخت‌ترین ماده طبیعی شناخته شده در جهان است. با این وجود، استحکام گرافن به شدت به ناخالصی‌های موجود در ورق آن بستگی دارد. علاوه بر این، هنگامی که ضخامت لایه‌های گرافن افزایش می‌یابد، استحکام مکانیکی کاهش می‌یابد. (3) خواص نوری: جذب نور سفید گرافن، به صورت خطی با تعداد تجمعی صفحات آن افزایش می‌یابد. گرافن با ضخامت یک اتم قادر به جذب 2.3 درصد نور سفید است در حالی که گرافن دولایه تا 4.6 درصد نور سفید را جذب می‌کند. (4) خواص حرارتی: رسانایی گرمایی گرافن از طریق انتقال فونون انجام می‌شود با این وجود، انتقال حرارتی الکترونیکی گرافن خالص به دلیل چگالی کم حامل ناچیز است.

2.3. کاربرد گرافن و مواد مشتق شده از آن در باتری

(1) گرافن به عنوان ماده آند در باتری لیتیوم یون: گرافن در زمینه ذخیره انرژی توجه‌ها را به خود جلب کرده است، این ترکیب به دلیل دارا بودن سطح ویژه زیاد، برای کاربرد به عنوان ماده الکترود در باتری‌های لیتیوم یونی مناسب است. لیتیوم می‌تواند به هر دو سطح گرافن متصل شود و استوکیومتری Li2C6 را تشکیل دهد، که موجب افزایش ظرفیت نظری گرافن تا 744 میلی آمپر ساعت بر گرم می‌شود. با این حال مشخص شده است که استوکیومتری LiC6 نمی‌تواند با گرافن تک لایه تشکیل شود.
پوشش سطح کم نشان داده شده روی گرافن تک لایه، مطابق با استوکیومتری LiC20 است که منجر به ظرفیت ویژه بسیار پایین آن می‌شود. برخی از دانشمندان دریافتند که جذب و واجذب یون لیتیوم، منجر به تبدیل نقص‌ها از شکل قطبی به فرم هماهنگ می‌شود که باعث کاهش تجمع یون لیتیوم می‌شود و به بهبود عملکرد الکتروشیمیایی LIB کمک می‌کند. همچنین مشخص شد که نقص‌ها نقش مهمی برای ذخیره‌سازی لیتیوم دارند. بنابراین نمونه‌هایی که بی‌نظمی بیشتری را دارند، ظرفیت بهتری را نشان می‌دهند، همچنین این پدیده بیانگر اینست که ذخیره‌سازی در مکان‌های نقص، ابزار اصلی ذخیره‌سازی یون لیتیوم در این مواد است.
بازده ماده گرافن به عنوان آند معمولا حدود 50 درصد است که منجر به کاهش کارایی آن در یک سل کامل می‌شود. برخی از دانشمندان دریافتند که دوپ کردن ورقه‌های گرافن با هترواتم‌ها (B، N، S و F)، برهمکنش بین یون لیتیوم و مکان‌های فعال را بهبود می‌بخشد، که منجر به افزایش جزئی در کارایی اولین چرخه کولمبیک می‌شود. برای اینکه باتری‌های لیتیوم یون مبتنی بر گرافن بهتر عمل کنند، به یک روش ساخت جدید نیاز است. حتی با روش‌های پیشرفته ساخت، دستیابی به چگالی بالای مواد گرافن هنوز دشوار است. تا به حال، مواد مبتنی بر نانوکربن نتوانسته‌اند ظرفیت حجمی الکترودهای گرافیتی را به دست آورند.
(2) گرافن دوپ شده به عنوان آند برای باتری لیتیوم یون: از آنجایی که اصلاح سطح مواد کربنی موجب افزایش ظرفیت جذب لیتیوم در آن‌ها می‌شود، ظرفیت ویژه مواد گرافن دوپ شده به عنوان آند برای باتری‌های لیتیوم یون بررسی شده است. از آنجایی که اندازه اتمی B و N به اندازه اتم‌های کربن نزدیک‌تر است، دوپ کردن این اتم‌ها بر روی مواد کربنی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده بهبود قابل توجه‌ای در عملکرد الکتروشیمیایی را نشان دادند، که به دوپ نیتروژن، بور و گوگرد در سطح گرافن نسبت داده می‌شود. این عناصر منجر به افزایش تعداد نقص‌ها و همچنین جایگاه‌های فعال یون لیتیوم می‌‌شوند.
(3) کامپوزیت‌های مواد فعال گرافن: Li4Ti5O12 (LTO) در حال حاضر به عنوان یک ماده آندی در سلول‌های تجاری استفاده می‌شود. از آنجایی که ورود الکترون‌ها و یون‌های لیتیوم به درون LTO تغییر کوچکی در ابعاد شبکه آن ایجاد می‌کند، این ترکیب یک عمر چرخه طولانی را نشان می‌دهد. با این وجود، هدایت الکتریکی LTO کمتر از 13-10 زیمنس است. یک روش ساده برای بهبود رسانایی الکتریکی LTO، ساخت کامپوزیت‌ها با استفاده از مواد کربنی است. برای مثال کامپوزیت‌های LTO حاوی 5% rGO موجب بهبود عملکرد الکتروشیمیایی و پایداری ظرفیت در این ترکیبات می‌شود.
(4) مواد آند آلیاژی: به دلیل ظرفیت ویژه بالای مواد آلیاژی، این ترکیبات به عنوان یک آند بالقوه برای LIB استفاده می‌شوند. با این حال، گسترش حجم بسیار زیاد آن‌ها در طول شارژ/دشارژ، عمر چرخه آن‌ها را کاهش می‌دهد. برای غلبه بر این مشکل، از کامپوزیت‌های گرافن و مواد آلیاژی برای افزایش یکپارچگی مکانیکی و هدایت الکتریکی استفاده می‌شود. برای مثال، Si به دلیل ظرفیت زیاد و هزینه کم، به عنوان نوع جدیدی از مواد آند آلیاژی برای باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌شود، اما رسانایی کم و انبساط حجمی بالا (300٪) پس از لیتیوم‌دار شدن استفاده از آن را محدود می‌کند. برخی از دانشمندان یک ماده کامپوزیتی از نانوذرات Si را ساختند که در وسط صفحات گرافن توزیع شده بود، این کامپوزیت موجب بهبود ظرفیت ذخیره‌سازی یون لیتیوم و پایداری چرخه‌ای باتری شد.
همچنین ترکیباتی مانند فیلم‌های متخلخل Si/rGO، لایه‌های Si/rGO متناوب روی بسترهای Ni، سنتز گرافن روی نانوسیم‌های ژنرال الکتریک، SnO2/RGO، و یک ماده ترکیبی rGO با نانوکریستال نیتروژن/SnO2 (SnO2NC@N-RGO) (با توزیع SnO2 یکنواخت در صفحات گرافن) ظرفیت برگشت پذیر فوق‌العاده و قابلیت سرعت بالایی را نشان دادند.
(5) تبدیل مواد آند: در الکترودهای نوع تبدیلی، ماده فعال به طور کامل با لیتیوم جایگزین می‌شود و ترکیبی حاوی لیتیوم و همچنین فلز تولید می‌کند. این مواد معمولا اکسیدها، سولفیدها، فسفیدها، نیتریدها و کاربیدهای فلزات واسطه هستند. در طی واکنش تبدیل، الکترون‌های بیشتری وجود دارد که ظرفیت ویژه آن را افزایش می‌دهد. با این حال، عمر چرخه این مواد توسط عوامل مختلفی مانند تشکیل SEI ناپایدار و تغییرات حجم در طول چرخه و همچنین کاهش هدایت الکتریکی آن به دلیل هم زدن نانوذرات اکسید کاهش می‌یابد. یکی از دانشمندان به منظور رفع این معایب، یک پوسته هسته دو بعدی با نانوساختار (G@Fe3O4@C) ساخت. این ساختار با داشتن حفاظت مضاعف، ظرفیت ذخیره سازی اکسید فلزی را برای ذخیره لیتیوم بهبود می‌بخشد. به دلیل وجود گرافن از طرفی نسبت ابعاد در این ساختار بزرگ است و از طرفی با افزایش حجم نانوذرات اکسید فلز در حین شارژ و دشارژ مقابله می‌کند در حالی که الکترود به طور کلی در ذخیره سازی لیتیوم بسیار رسانا و فعال است.
(6) برخی از آلوتروپ‌های کربن دو بعدی: نه تنها گرافن بلکه آلوتروپ‌های کربن گرافن نیز به عنوان مواد آندی در باتری استفاده می‌شوند، این آلوتروپ‌ها عبارتند از: گرافین، گرافدین، گرافنیلن، فوگرافن، تی‌گرافن، ایکس گرافن، Ψ-گرافن، پنتاگرافن و غیره.

3. دی کالکوژنیدهای فلزات واسطه

به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی جالب گرافن، مواد دو بعدی مختلف دیگری مانند، BN شش ضلعی، دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه (TMD)، سیلیسن، ژرمانن یا فسفرن نیز مورد بررسی قرار گرفته‌اند. در میان آن‌ها، TMDها به دلیل دارا بودن نسبت سطح به حجم بالا و همچنین سطح داخلی زیاد، گزینه‌های بالقوه‌ای برای دستگاه‌های ذخیره انرژی هستند. TMDها به شکل MX2 هستند که در آن M یک فلز واسطه و X یک دی کالکوژنید است. مواد TMD از لایه‌های انباشته زیادی تشکیل شده است که توسط نیروهای ضعیف واندروالس به هم متصل شده‌اند. در نتیجه، لایه برداری از جمله روش‌های رایج برای ساخت TMDهای تک لایه یا چند لایه است. آن‌ها خواص الکتریکی، مغناطیسی، نوری و مکانیکی خوبی را از خود نشان می‌دهند که برای کاربردهای مختلف مناسب است.

3.1. روش سنتز TMD و مواد مشتق از آن

به طور کلی چهار روش برای ساخت TMD و مواد مشتق از آن استفاده می‌شود. این روش‌ها به شرح زیر است: (1) روش لایه برداری مکانیکی، (2) روش لایه برداری مایع، (3) سولفوره کردن لایه نازک فلز (یا اکسید فلز)، (4) تبخیر اکسید فلز با پیش ساز کالکوژن و (5) روش تابش لیزر فمتوثانیه.

3.2. خواص TMDها

ترکیب TMDها: یک فلز واسطه از گروه‌های 4 تا 10 است و کالکوژن‌ها (S، Se و Te) مواد تشکیل دهنده TMD را می‌سازند. به طور کلی در TMD ساختار لایه‌ای یافت می‌شود که از فلزات گروه‌های 4 تا 7 تشکیل شده است، در حالی که فلزات گروه‌های 8 تا 10 بدون لایه هستند.
ویژگی های مکانیکی: این مواد کریستالی و تقریبا بدون نقص، به دلیل دارا بودن ویژگی‌های الاستیکی خوب برای انواع دستگاه‌های حساس و به ویژه برای دستگاه های الکترونیکی انعطاف پذیر مناسب است.
ساختار الکتریکی و خواص نوری: TMDها هنگامی که باند d آن‌ها تا حدی پر شده باشد، خواص فلزی را نشان می‌دهد.

3.3. کاربرد دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه به‌عنوان آند برای باتری‌های یون لیتیوم، سدیم و پتاسیم

با توجه به خواص گفته شده، TMDها تحقیقات قابل توجهی را در مقایسه با مواد آندی مبتنی بر کربن (گرافیت) به خود جلب کرده‌اند. TMDها ظرفیت ذخیره‌سازی خوبی را برای یون لیتیوم نسبت به آند گرافیت نشان می‌دهند. در میان همه گزینه‌های ممکن، MoS2 و WS2 جذاب‌ترین مواد آندی هستند که باتری لیتیوم یونی را هدف قرار می‌دهند. ساختار لایه‌ای MoS2 شبیه گرافیت است که علاوه بر پایداری چرخه‌ای فوق‌العاده، دارای ظرفیت تئوری مضاعف نیز هست. علاوه بر این، برای یون لیتیوم فاصله بین لایه‌ای 0.6 نانومتر است که بزرگ‌تر از گرافیت است. نانوساختار MoS2 ظرفیت بهتری نسبت به MoS2 حجیم نشان می‌دهد، زیرا حفره‌های ذخیره‌سازی بیشتری برای یون لیتیوم در سطح بزرگ‌تری دارد. ترکیباتی مانند نانوپودر MoS2 (MoS2-NP)، تک‌لایه‌های VS2، کامپوزیت‌های نانو ورق MoS2/گرافن، کامپوزیت‌های MoS2/GNS، و غیره… عملکرد الکتروشیمیایی خوبی را در باتری‌های لیتیوم یون نشان می‌دهند. همچنین VS2 و TiS2 گزینه‌های خوبی برای مواد آندی در باتری یون پتاسیم (KIB) هستند که از خود ظرفیت الکتروشیمیایی بالایی را نشان می‌دهند.

4. MXeneها، ساخت، خواص و کاربردهای باتری

مواد دو بعدی MXene توسط خانواده‌ای از کاربیدهای و نیتریدهای فلزات واسطه تشکیل شده‌اند. به طور کلی، MXene از طریق فرآیند زدایش صنعتی (etching) مشخصی از لایه‌های “A” از فاز MAX تهیه شده است. فازهای MAX لایه‌های کاربیدها و نیتریدهای شش ضلعی هستند که دارای فرمول کلی Mn+1AXnTx هستند: که در آن “M” برای فلزات انتقالی اولیه (مانند Ti، V، Mo، Sc، Nb، و غیره) استفاده می‌شود، “A” عنصری از گروه IIIA یا IVA است (مانند Al، Ga، Si یا Ge)، “X” نشان دهنده نسبت کربن به نیتروژن و “T” نشان دهنده گروه عاملی سطح است که در طول فرآیند زدایش انتخابی OX بر روی سطح چسبیده‌اند.

4.1. ساخت MXeneها

برای تولید ساختار با کیفیت و کنترل شده، از رسوب بخار شیمیایی (CVD) در رویکرد پایین به بالا استفاده می‌شود. با این حال، CVD برای تهیه MXeneها مناسب نیست زیرا به جای یک لایه، لایه‌های نازکی تولید می‌کند. دانشمندان از CVD برای تولید لایه‌های نازک Mo2C، کاربید تنگستن (WC) علاوه بر کاربید تانتالم (TaC) استفاده کردند و دریافتند که نازک‌ترین Mo2C ارائه شده دارای شش لایه است.
رویکردهای بالا به پایین برای MXeneها عمدتا شامل:
(1) زدایش صنعتی (Etching): مواد دوبعدی هنگام استخراج از مواد لایه‌ای تحت فرآیندهای لایه برداری قرار می‌گیرند، زیرا آن‌ها علاوه بر پیوند ضعیف خارج صفحه‌ای، یک پیوند درون صفحه‌ای قوی نیز دارند. به طور کلی، مواد دو بعدی مانند گرافن، دی‌کالکوژنیدها یا نیترید بور با رویکردهای مکانیکی مانند آسیاب گلوله‌ای و غیره تولید می‌شوند. در سال 2013، برخی از دانشمندان از لایه برداری مکانیکی برای ساخت MXene از فاز MAX استفاده کردند، اما نتوانستند پیوندهای فلزی M-A را بشکنند. بنابراین، روش زدایش شیمیایی مرطوب برای سنتز MXene از فاز MAX ترجیح داده می‌شود. روش‌های زدایش عبارتند از: زدایش انتخابی اسید هیدروفلوئوریک (HF)، درمان قلیایی و/یا هیدروترمال، زدایش الکتروشیمیایی با کمک حرارت و زدایش انتخابی Ga، Si
(2) لایه برداری. ‌روش های لایه برداری مورد استفاده برای لایه برداری MXene به دو عامل بستگی دارد (الف) روش زدایش (ب) ترکیبات MXene.
آماده سازی از پایین به بالا کاربیدهای فلزات واسطه دو بعدی و همچنین نیتریدها:
برای تولید انبوه MXene، کاربید و نیتریدهای عامل‌دار از رویکرد بالا به پایین استفاده می‌شود. با این حال، فرآیند زدایش منجر به آسیب‌های شیمیایی و مکانیکی به MXene می‌شود. تحقیقات نشان داد که تنها ساختارهای M2X، M3X2 و M4X3 با استفاده از روش بالا به پایین تولید می‌شوند. سنتز ساختارهای MX مبتنی بر TMC و TMN مانند MoC، MoN، NbC و NbN و غیره با روش‌های سنتز از بالا به پایین امکان پذیر نیست. خواص عالی نشان داده شده توسط ساختارهای MX مبتنی بر TMC و TMN آن‌ها را برای کاربرد به عنوان ابررساناها مناسب می‌کند. علاوه بر این، WC دارای خاصیت نیمه فلزی است. در نتیجه، محققان در حال تلاش برای بهبود کیفیت مواد دو بعدی TMC و خانواده TMN با توسعه روش‌های سنتزی مختلف هستند. بر خلاف روش سنتز از بالا به پایین، رویکرد پایین به بالا برای سنتز مواد دو بعدی بسیار مناسب است. علاوه بر این، این روش انعطاف پذیرتر است و می‌تواند برای رشد هتروساختارهای مبتنی بر مواد دو بعدی استفاده شود.

4.2. خواص MXeneهای لایه برداری شده

MXenها ویژگی‌های قابل توجهی نشان می‌دهند، به عنوان مثال، مدول یانگ بالا، رسانایی حرارتی، رسانایی الکتریکی و شکاف‌های باند قابل تنظیم.
(1) ویژگی‌های الکترونیکی و الکتریکی: ویژگی‌های الکترونیکی و همچنین الکتریکی MXeneها را می‌توان از طریق اصلاح گروه عاملی، استوکیومتری یا تشکیل محلول جامد تنظیم کرد. ثابت شده است که رسانایی الکتریکی دیسک فشرده MXene مشابه گرافن چند لایه و بالاتر از نانولوله‌های کربنی و مواد rGO است. دانشمندان دریافتند که مقاومت MXene بر اساس تعداد لایه‌ها و گروه‌های عاملی رشد می‌کند. رسانایی الکتریکی بر اساس جنبه‌های متعددی مانند تعداد نقص در واحد سطح، گروه‌های عاملی سطح، بازده لایه‌برداری، فاصله بین تکه‌های MXene و اندازه جانبی ناشی از هر فرآیند زدایش است.
(2) ویژگی‌های مکانیکی: پیوندهای سخت بین M – C و M – N، باعث توجه به خواص مکانیکی MXeneها شد. این ترکیبات ثابت‌های الاستیک دو برابر بیشتر از فازهای MAX دارند، ولی مقدار آن دو تا چهار برابر کمتر از گرافن است.
(3) خواص حرارتی: با توجه به کوچک سازی مداوم وسایل الکترونیکی و ذخیره انرژی، خواص ترموالکتریک نقش مهمی را ایفا می‌کند. MXene در دمای اتاق، هدایت حرارتی بهتری را نسبت به MoS2 و فسفر نشان می‌دهد.
(3) خواص مغناطیسی: تعدادی از MXeneهای بکر مانند Ti4C3، Ti3CN، Fe2C، Cr2C، Ti3N2، Ti2N، Zr2C و Zr3C2 دارای گشتاورهای مغناطیسی هستند. با این حال، عامل‌دار کردن آن‌ها می‌تواند در برخی موارد پاسخ مغناطیسی‌شان را از بین ببرد.
(4) خواص نوری: خواص نوری MXene برای فوتوکاتالیست‌ها، فوتوالکترون‌ها، فوتوالکترون‌ها و دستگاه‌های الکترود رسانای شفاف مهم است. خواص جذب MXene به ضخامت لایه بستگی دارد. همچنین مشخص شده است که وقتی نمونه اکسید می‌شود، ویژگی‌های جذب آن افزایش می‌یابد، اما زمانی که نمونه فلوئوره می‌شود، ویژگی‌های جذب کاهش می‌یابد. به دلیل رسانایی فلزی و شفافیت نوری در محدوده مرئی، MXene کاندیدای بالقوه‌ای برای کاربرد به عنوان الکترود شفاف انعطاف پذیر است.

4.3. کاربرد MXene به عنوان آند در باتری

به منظور بررسی عملکرد MXeneها در باتری، در سال‌های اخیر ترکیباتی مانند Ti2C، Ti3C2، تک لایه Ti2N، Ti2NT2 (که در آن T معادل OH، O و F است)، Nb2CTx، V2CTx، Ti3CNTz، Hf3C2Tz، Nb4C3Tx دو بعدی، Hf3C2 مبتنی بر Hf دو بعدی، تک لایه Ti3C2 با S-عاملی شده، V2NS2، Ti2NS2، نانوصفحه VS4@Ti3C2/C، VS2/Ti2CO2، VS2/Ti2CS2 و تک لایه کاربید فسفر (PCx، x = 2، 5، و 6)، V3C2 به عنوان یک ماده آند برای باتری‌های یونی لیتیوم، سدیم، پتاسیم و منیزیم بررسی شدند. نتایج نشان داد که این ترکیبات ظرفیت ویژه بالا، پایداری چرخه‌ای عالی و سرعت پذیری خوبی را برای این باتری‌ها نشان می‌دهد.

5. محدودیت‌های مواد دو بعدی معمولی

تا حدودی، تمام مواد دو بعدی رایج از ساختار باز و مورفولوژی در مقیاس نانو رنج می‌برند. بسیاری از مواد دوبعدی دارای فعالیت ردوکس قابل توجهی در فرآیندهای جادهی یون لیتیوم هستند و هنگامی که به عنوان آند برای دستگاه‌های ذخیره انرژی استفاده می‌شوند عملکرد خوبی از خود نشان می‌دهند، با این حال، همه آن‌ها دارای معایبی هستند. سطح ویژه بالا مواد دوبعدی برهمکنش بیشتری با الکترولیت ایجاد می‌کند که انتقال یون‌ها را بهبود می‌بخشد اما منجر به مصرف بیشتر الکترولیت و تشکیل لایه SEI می‌شود و در نتیجه باعث ظرفیت برگشت ناپذیر در چرخه اول می‌شود.
محدودیت‌های رایج مواد دو بعدی به این شرح است: ساخت مواد دو بعدی کنترل شده بسیار دشوار است، مقدار دوپ کردن و موقعیت مواد دوپ شده کمتر قابل کنترل است، روش ساخت تکامل یافته‌ای برای مواد دو بعدی وجود ندارد و تولید انبوه آن‌ها امکان پذیر نیست. برای غلبه بر این محدودیت‌ها محققان از روش‌های مختلفی استفاده می‌کنند که غلظت دوپ مواد و همچنین موقعیت دوپ آن‌ها را کنترل می‌کند.

6. الزامات اساسی مواد دو بعدی برای استفاده به عنوان آند در باتری

مواد آندی برای کاربرد در باتری به برخی ویژگی‌های اساسی نیاز دارند. این ویژگی‌ها شامل تخلخل عالی، رسانایی، دوام، وزن سبک، هزینه کم و سازگاری ولتاژ با کاتد انتخابی است. مواد دو بعدی هدایت الکتریکی الکترودها را بهبود می‌بخشند. مواد دوبعدی اغلب توانایی افزودن ظرفیت‌های وزنی و حجمی را در حین تنظیم دقیق ویژگی‌های الکتریکی فراهم می‌کنند.
مواد دوبعدی ممکن است سطح الکترودها و مقدار مواد فعال موجود را افزایش دهند. پودر کردن الکترودهای با ظرفیت بالا به دلیل انبساط حجم و ایجاد استرس در طول چرخه شارژ و دشارژ، عمر چرخه باتری و عملکرد را کاهش می‌دهد. شبکه‌ای از مواد دو بعدی که ذرات الکترود را در بر گرفته‌اند ممکن است از ترک خوردن جلوگیری کرده و پایداری الکتروشیمیایی و حرارتی را افزایش دهند. 10 تا 60 درصد وزنی از مواد فعال برای بهبود عملکرد مکانیکی و الکتروشیمیایی الکترود استفاده می‌شود.

7. نتیجه گیری و چشم انداز

ساخت، روش‌ها اصلاح و ویژگی‌های مهم گرافن/کامپوزیت‌های گرافن و دیگر ساختارهای دوبعدی مانند TMDها و MXene و همچنین قابلیت کاربرد آن برای باتری‌های یون لیتیوم، سدیم و پتاسیم بیان شد. برخلاف مواد حجیم، خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد مواد دو بعدی، با نسبت سطح به حجم بالا، آن‌ها را به گزینه‌های مناسبی برای کاربرد در باتری‌های یون فلزی تبدیل می‌کند. بهبود قابل توجهی در روش ساخت و عملکرد الکتروشیمیایی باتری‌ها با به کار گرفتن این مواد دو بعدی مرتبط با گرافن توصیف شده است.
اگرچه تحول قابل توجهی در زمینه ساخت مواد دو بعدی برای جهت‌دهی آن به عنوان آند برای باتری یون فلزی انجام شده است، ولی تولید انبوه قابل اعتماد با کیفیت بالا هنوز یک چالش بزرگ است. روش لایه برداری شیمیایی ممکن است برای ساخت مواد دو بعدی در مقیاس بزرگ با کیفیت بالا استفاده شود. با وجود اینکه مواد دو بعدی مانند MXene و TMD در باتری‌های لیتیوم یون به کار می‌روند، اما هنوز شیمی سطح دقیق MXene و مکانیسم‌های واکنش TMDها به طور کامل درک نشده است. بنابراین، روش‌های محاسباتی به گره‌گشایی ساختار نهایی، خواص الکتروشیمیایی و واکنش‌های واسطه کمک می‌کنند. با استفاده از نظریه‌های تابعی چگالی، محققان می‌توانند برخی از مواد دو بعدی جدید را توسعه دهند و خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها را بدون ساخت پی ببرند و زمانی که ویژگی‌های مواد دو بعدی پیش‌بینی‌شده خاصیت مورد نیاز برای مواد آندی را نشان دهند و از روش ساخت مناسب برای سنتز آن‌ها استفاده کنند.
نسبت حجم به جرم بالا نشان داده شده توسط مواد دو بعدی منجر به چگالی انرژی حجمی کم برای باتری‌های یون لیتیوم/سدیم به عنوان ماده الکترود می‌شود. به عنوان مثال، گرافن را می‌توان به راحتی در حین شارژ/دشارژ دوباره روی هم قرار داد و در نتیجه پایداری چرخه‌ای پایین‌تر خواهد بود. علاوه بر این، تشکیل SEI به دلیل مساحت سطح زیاد منجر به ظرفیت الکتروشیمیایی ضعیف‌تر می‌شود. به منظور غلبه بر این مشکلات، کامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن، TMDها و MXene در حال بررسی هستند.
عامل‌دار کردن و همچنین مواد زدایش مختلف در ساخت MXene برای کاهش خطرات ایمنی، محصولات جانبی و توسعه ظرفیت الکتروشیمیایی این مواد استفاده شده است. برای غلبه بر مشکلات سرعت شارژ و دشارژ، محققان از مواد دوبعدی دوپ شده با هتراتم استفاده کردند که پتانسیل شیمیایی و همچنین موانع انتشار یون‌های فلزی را بهبود می‌بخشد. مواد دوبعدی شامل سطوح بزرگ و نقاط فعال زیادی هستند که می‌توان از آن‌ها برای نگهداری چندین ترکیب فعال عایق‌شده مانند S، P قرمز و Si استفاده کرد. مواد دوبعدی مکان‌های فعال را تثبیت می‌کنند، حجم را کاهش می‌دهند و مسیر مناسبی را برای انتشار یون‌های فلزی فراهم می‌کنند.
استفاده از گرافن، TMDها و MXene یا کامپوزیت‌های آن‌ها برای باتری‌های یونی Li/Na/K در مراحل اولیه است، علاوه بر این تحقیقات فعلی دور از کاربرد صنعتی هستند. در آینده نزدیک، انتظار می‌رود که چالش‌های ذکر شده در بالا با هدف توسعه ظرفیت، عمر چرخه و همچنین تولید برای کاربردهای صنعتی برطرف شود.