3D MXene 架构作为高性能锂硫电池的硫主体

锂硫电池（LSBs）因其高理论能量密度而成为最有前途的储能装置之一；然而，包括导电性差和硫及其放电产物严重溶解在内的固有问题阻碍了它们的实际应用。

MXenes具有金属导电性、超薄二维(2D)结构、丰富的表面官能团和宏观结构可调性，已广泛用于设计高级硫主体。由2D MXene纳米片组装的3D网络结构在改善反应动力学、在微/纳米尺度上容纳和分散硫以及由于其多孔互连结构捕获多硫化物方面表现出优异的性能。在此，综述了与2D分层结构、3D多层结构和3D球形结构相关的MXene架构作为硫主体的应用。还分析了LSB的结构-性能关系、当前设计面临的挑战以及未来3D架构的机会。

图形概要华中农大

3D MXene架构在2D层状结构、3D多层结构和3D球形结构方面的最新进展作为锂硫电池的硫主体已被全面审查。

锂硫电池

正极

硫磺宿主

MXenes

3D架构

一、简介

锂离子电池(LIB)最早于19世纪开发，现在广泛用于便携式设备；然而，石墨负极的理论容量极低，不能满足高储能应用的要求，尤其是电动汽车等行业。基于锂金属负极的可充电锂金属电池是很有前景的储能装置，理论容量为3860 mA hg-1，最低电位为-3.04 V。当它们与具有超高理论容量（1675 mA hg-1)，构建的LSBs的理论能量密度达到2600 W h kg-1，有望推动大规模电网和动力汽车的发展；然而，硫正极的一些固有缺陷阻碍了高能LSB的发展。

首先，硫及其放电产物（S: 5 × 10−30 S cm−1 at 25 °C; Li2S: 10−13 S cm−1）的固有电子电导率较差，导致电子迁移缓慢，活性物质利用率低,反应动力学差。其次，在放电过程中，由于S和Li2S的转化导致的体积膨胀接近80%，这可能导致电断开和活性材料的分离。第三，放电中间体（多硫化锂）会溶解在电解液中并产生严重的穿梭效应，导致库仑效率和硫利用率低。此外，溶解的多硫化物可以通过隔膜扩散并到达锂负极，形成绝缘还原产物，从而降低锂负极的性能。

为了解决硫正极的问题，已经开发了各种策略，包括设计合理的主体、构建功能性隔膜和优化电解质，以提高LSB的性能。其中，硫主体的设计成为最有前途和研究最广泛的策略。在早期的研究中，硫/碳复合正极是通过引入高导电性多孔碳基体来构建的。多孔结构可以在纳米/微米尺度上分散硫物质，物理阻断多硫化物，并缓冲硫的显着体积变化；然而，由于非极性碳材料与多硫化锂之间的相互作用较弱，这些S/C复合正极通常表现出较差的循环稳定性，尤其是在高硫负载下。因此，许多极性材料，如杂原子掺杂（如N、B和P）碳材料、金属氧化物和硫化物、金属有机骨架(MOF)和MXene，已被开发为新型硫主体。后来，Au、Pt、Co、金属氮化物/磷化物和硫化物等具有高催化活性的材料被用于加速S和Li2S之间的转化反应动力学。

过渡金属碳化物和碳氮化物，简称MXenes，是二维(2D)材料，具有高电子导电性、丰富的表面官能团、结构可控性和对硫的亲和力。它们在快速传输动力学、限制多硫化物和小体积变化方面具有多合一优势。它们通常通过选择性蚀刻层压“MAX”相中的“A”层来获得。通式为Mn+1AXn (n = 1-4)，其中“M”代表过渡金属，“A”通常代表III A族或IV A族元素（如Al、Ga、Si或Ge），“X”代表碳和/或氮。通过HF或HF蚀刻、电化学蚀刻、碱蚀刻和熔盐蚀刻的原位形成已经获得了不同类型的MXene系列。由于过渡金属碳化物的金属性质，分层的Ti3C2TX表现出1 × 104 S cm-1的电导率，大大高于石墨（1.04 S cm-1）和1T MoS2（10-100 S cm-）的电导率。1）。MXenes的高导电性可以促进快速电子转移和硫转化。MXenes的内在末端金属位点可以通过金属硫相互作用牢固地锚定在多硫化锂上。此外，其表面的许多极性官能团（–O、–OH和–F）可以通过极性-极性相互作用阻止多硫化物的溶解；然而，这些相同的相互作用也使2D MXene纳米片易于重新堆叠，导致离子的横向长距离传输以及活性位点数量和表面化学吸附能力的减少。

这些显着降低了LSB的性能。在此背景下，已经开发出3D MXene架构来抑制MXene的堆叠并提高电池的电化学性能。将2D结构转换为3D框架的策略包括自组装、牺牲模板、嵌入剂和3D打印。与其对应的2D MXene相比，3D MXene显示出独特的结构优势，这些优势与它们的高电导率、低密度、丰富的活性位点和高比表面积有关（图1）。

它们连续的3D网络结构提供了有效的电子路径和较短的离子扩散距离，有助于快速反应动力学和活性硫的高利用率。多孔结构可以在微/纳米尺度上容纳和分散硫。此外，多孔结构可以用作液体电解质容器，使硫和电解质之间能够充分接触。由于3D MXene的结构灵活性和稳定性，基于3D MXene的电极可以缓冲循环过程中电活性硫中发生的体积变化。此外，具有高比表面积的3D MXenes可以暴露出丰富的活性位点，增强其吸附可溶性多硫化物的能力并减轻穿梭效应。通过3D MXene架构的精心设计，LSBs的库仑效率、容量保持率、长期循环稳定性和倍率性能得到显着提高。

图1.各种MXene架构及其作为硫主体的相应优势。

由于其高电导率、高比表面积、快速离子传输和强捕获多硫化锂的能力，3D MXene架构已被用作高级硫主体以延长LSB的循环寿命。在此，我们总结了托管在各种3D MXene架构中的硫正极。仔细研究了结构和电化学性能之间的关系。此外，还提出了与当前架构相关的一些挑战。最后，我们展望了未来基于MXene的长寿命LSB的机会。

2.二维(2D) MXene/S复合正极

硫及其放电产物的电子导电性差、循环过程中体积变化显着以及中间多硫化物的严重溶解都导致LSB的库仑效率低和循环寿命短。硫主体的合理设计有望解决这些问题。二维纳米材料由于其高电导率、大表面积、高集成密度和机械柔韧性而显示出潜在的应用。在这些材料中，具有独特表面特性的2D MXenes受到了广泛关注。首先，2D MXenes的高电子电导率和丰富的表面官能团可以提供快速的电子转移并使多硫化锂的强吸附成为可能。其次，2D MXenes的高成膜性可以避免使用非活性成分，包括粘合剂、导电剂和集电器，从而提高电池的重量能量密度。第三，2D MXenes通常是超薄的，它会将大量缺陷和丰富的边缘暴露在电解质中，这可以提高多硫化物的捕获率。二维材料的边缘甚至可以改变电子转移路径，使其可用作硫正极的电催化剂；因此，已经开发了各种2D MXene架构作为硫主体。

例如，通过蚀刻和去除中间层获得的MXene系列呈现出具有很少或多层的手风琴状外观（图2a）。层状Ti3C2 MXene（L-Ti3C2）的空隙用作硫的储存容器（图2b），获得的正极表现出高初始比容量和低容量衰减；然而，由于手风琴状MXene的开放层状结构，构建的MXene/硫正极显示出较差的循环性能。因此，表面涂层被用来抑制多硫化物的溶解。Yu等人报道了聚多巴胺涂层的MXene纳米片（Mxe@PDA）以实现多硫化物的双重限制（图2c）。S@Mxe@PDA正极在硫负载量为4.4 mg cm-2时表现出优异的循环稳定性。然而，由于其堆叠结构，类似手风琴的MXene显示出有限的活性位点和存储空间；因此，制备的MXene/S正极表现出低硫负载和严重的多硫化物溶解。在这种情况下，Nazar及其同事在2015年将分层的Ti2C MXene纳米片（d-Ti2C）用作硫主体（图2d）。由于MXene中外部固有Ti原子与多硫化物物种之间的强相互作用，S/Ti2C复合材料表现出稳定的长期循环性能（图2e）。随后，Nazar等人提出了硫代硫酸盐/多硫酸盐双重保护屏障，通过MXene表面上的羟基与多硫化物之间的原位反应抑制多硫化物扩散（图2f）。受这项工作的启发，报告了有关在LSB中使用MXenes的各种后续研究。Zhang等人通过将硫纳米颗粒均匀地分散在Ti3C2 MXene纳米片上，然后进行真空过滤，制造了一种独立的S/MXene（S@Ti3C2TX）薄膜（图2g）。由于表面官能团的静电相互作用，硫锚定的MXene纳米片通过逐层自组装形成二维层状结构（图2h）；然而，许多杂质如反应物、溶剂和副产物也可能由于其堆叠结构而被限制在2D MXene/S正极中，这可能会降低电池的性能。后来，通过简单的气相沉积制备了Ti3C2TX/S导电纸。MXenes无疑提高了LSBs的电化学性能，但是，MXenes表面氟端基的数量大大削弱了捕获和催化多硫化物的能力。此外，官能团有利于氢键的形成，导致MXenes的重新堆积，不利于离子和电解质的进入。由于2D纳米片之间的滑动，由裸MXene组装的自支撑膜显示出较差的机械性能，这破坏了结构的完整性。最近，Wei等人通过用孤立的二维超薄Ti3C2纳米片包裹碳纤维（CFs）制备了Ti3C2@CF硫主体（图2i）。Ti3C2@CF-S正极显示出比CF-S正极更好的机械强度和更高的杨氏模量（图2j），这有助于它们承受由体积膨胀引起的应力和变形。Ti3C2@CF-S正极在200次循环后在0.5C下显示出1041.1 mAh g-1的高容量。

图2. (a) S/L-Ti3C2复合材料制备示意图。转载自参考文献。

金属氧化物，如V2O5、TiO2、MnO2、ZnO和SnO2，由于它们的强极性已被用于捕获多硫化锂。其中，TiO2显示出优越的无毒、环保、低成本和易于制备。例如，Zhu等人通过简单的一步法制备了一种由分散的TiO2量子点（TiO2 QDs@MXene）组成的MXene纳米杂化物。TiO2 QD抑制了MXene纳米片的重新堆叠，从而保持了它们的2D层状结构（图3a）。

由于其强极性，与Ti3C2TX对应物相比，TiO2 QD与多硫化锂的结合能更高（图3b）。因此，TiO2 QDs@MXene/S正极显示出显着改善的长期循环性能（500次循环后在2C下提供680 mAh g-1）和倍率性能（5C下为663 mAh g-1）。后来，他们在不牺牲其结构完整性或内在特性的情况下设计了MXene@TiO2纳米阵列，并实现了出色的硫包封。然而，在放电/充电过程中，电子从导电侧转移到半导体侧(TiO2)受到阻碍。这导致多硫化锂在TiO2表面积累，大大降低了反应动力学和转化效率。这对电池的倍率性能和循环稳定性极为不利。因此，需要找到一种具有匹配带隙的导体/半导体，以与极性化合物/衬底形成异质结。Shao等人证明MXene纳米片可以通过充当“带桥”来连接碳基质和TiO2，以获得快速的传质和氧化还原反应（图3c）。

由于它们之间费米能级的巨大差异，电子在界面处重新分布。TiO2的电导率大大提高，从而提高了其电催化活性。制造的TM-CNFs主体表现出优异的循环稳定性（500次循环后1C下723.3 mA hg-1）和高面积容量和能量密度（10.85 mA h cm-2和1909.86 W h kg-1，硫面积负载为10.5毫克cm−2)。最近，来自MXenes的具有高浓度OVs（≈20%）的TiO2纳米晶颗粒或TnQDs（≈3.3 nm）量子点已被用作硫主体，扩展了MXenes的应用。尽管如此，金属氧化物的应用仍面临挑战。首先，由于其刚性，金属氧化物可能会削弱MXene的柔韧性。其次，一些金属氧化物可能会削弱整个电极的导电性。第三，惰性金属氧化物的引入可能会降低电池的重量能量密度。因此，使用Ti3C2 MXene纳米点代替金属氧化物以防止MXene重新堆叠（图3d）。高密度超细Ti3C2TX纳米点(TCD)在Ti3C2TX纳米片(TCS)表面的均匀分散大大降低了它们的界面电阻并促进了硫物种的氧化还原动力学。即使在13.8 mg cm-2的高硫负载下，TCD-TCS/S电极也表现出超高的体积容量（1957 mA h cm-3）（图3e）。

图3. (a) TiO2 QDs@MXene复合材料的TEM图像。

总之，由MXenes构建的二维硫主体显示出显着增强的电化学性能，但也存在一些缺陷。首先，2D MXene基材通常显示出较低的孔体积，这有助于相对较低的硫负载。其次，由于层之间的静电相互作用，二维MXenes可能会重新堆叠，这会阻碍离子传输。由于2D MXenes的重新堆叠，比表面积和活性位点数量将显着减少，这可能会削弱其吸附多硫化物的能力。第三，二维层状结构造成的长横向距离阻碍了锂离子的迁移，导致反应动力学不佳；因此，有必要构建具有高孔隙体积的轻质互连结构的3D MXene架构，以解决困扰2D MXene的问题。

3.三维(3D) MXene/S复合正极

与2D MXene材料相比，3D网络结构具有优越的硫存储和多硫化物固定能力。由2D MXene亚基形成的3D网络结构显示出高孔体积，这有利于高硫负载和多硫化物的封装。3D MXenes的互连结构可以防止MXene片的重新堆叠，从而实现快速的锂离子传输。由于它们的表面积更大，3D MXenes的更多极性官能团将暴露在电解质中，这增强了它与多硫化物的结合。在这种情况下，各种3D MXene架构，例如3D多层结构、3D中空结构和3D微球结构已被开发为硫主体。

3.1. 3D多层结构

3D多层结构继承了2D纳米片的优点。与堆叠的二维纳米片相比，多层结构中的每个纳米片都被嵌入的物种分开。由于距离延长，多层结构具有更大的暴露面积和存储空间。因此，多层结构实现了高硫负载和多硫化物的良好限制。此外，多层结构可以防止MXene纳米片的重新堆叠，从而实现快速的锂离子传输。

例如，Wang等人通过将rGO电镀到MXene纳米片中，制造了一种三明治状的Ti3C2 MXene/还原氧化石墨烯（rGO）杂化主体（图4a和b）。由于MXenes和rGO的协同作用，MXene/rGO/S正极在0.5C下表现出1144.2 mA hg-1的高初始容量和70%硫循环300次后的高保留容量为878.4 mA hg-1加载（图4c）；然而，由于rGO的低极性，它通常与极性多硫化物的结合较差。因此，Guo等人报道了八面体1 T相MoS2，具有优异的导电性和带正电的S空位（Vs）（图4d和e）。通过带正电的Vs缺陷和多硫化物之间的强相互作用，穿梭效应在很大程度上被抑制，材料在0.5C下表现出300次循环的长期循环性能（图4f）。

图4. (a) Ti3C2TX/RGO/S复合材料的合成示意图。

由具有不同带隙的各种耦合成分组成的工程异质结构，如TiO2/TiN、MoN/VN和ZnS/FeS，可以促进电荷载流子传输和界面反应动力学，从而提高捕获-扩散-转化过程的效率。例如，双生TiO2-TiN异质结构旨在促进多硫化物的转化。采用具有大本征能带隙的ZnS-FeS异质结构来提高催化活性。为了适应硫，开发了一种二维层状MXene，由于强界面Ti-S相互作用而对多硫化物具有亲和力，以适应硫，但其平面表面导致硫负载量低和扩散动力学差。因此，基于MXene的异质结构包括MXene-WS2、MXene-COFs和介孔碳@MXene@carbon已被开发为硫主体。Gogotsi及其同事通过MO2TiC2TX MXene的原位硫化首次报道了2D MoS2-on-MXene异质结构的一项开创性工作。后来，设计了MXene-C3N4异质结构以改善Li+反应动力学和相应的电化学循环稳定性。最近，Yang等人通过在Ti3C2 MXene纳米片上原位生长层状共价三嗪骨架（COF）作为硫主体，构建了二维无机-有机异质结构（图4g）。由于MXenes和COFs之间的Ti-N相互作用形成了稳定的界面（图4h-i），制备的硫正极表现出快速的氧化还原反应动力学。由于MXenes和COFs的完整性，复合正极实现了76%的高硫负载量，1C下超过1000次循环的高倍率性能，以及良好的循环性能，在高面积硫负载量下具有94%的高容量保持率5.6 mg cm-2 100个循环。Yamauchi等人通过胶束定向界面组装制备了一种类似三明治的碳@MXene@carbon介孔异质结构。通过将其用作硫主体，异质结构的MXene@C/S正极表现出良好的倍率能力（2C时为828 mA hg-1）和长期循环稳定性（500次循环后在0.5C下提供914 mA hg-1） ）。Liu等人通过在WS2上堆叠Ti2C，然后氧化Ti2C的顶面，提出了一种不对称极性双面异质结构。由于两侧不同极性产生的内部电场，异质结构表现出很大的固有极性。由于高吸附能，O端侧强烈吸附多硫化锂，而S端侧由于其低扩散和分解势垒而促进了多硫化物的转化。

具有扩大层间距的多层MXene/S复合结构可以防止层的堆叠，实现高硫负载，并显示出对多硫化物的良好限制；然而，它们的实际应用受到非定向和不均匀层间距和苛刻合成条件的阻碍。此外，大多数多层结构呈现开放系统，在长期循环过程中不能完全阻止多硫化物的溶解。

3.2. 3D多孔结构

中空结构通常具有较大的内腔、坚固的外壳和相互连接的支架。大的内部空腔可以储存大量的硫，而坚固的外壳则充当了限制多硫化物扩散的物理屏障。此外，内腔可以减轻锂化/脱锂过程中体积膨胀和收缩引起的应力。

例如，Wang等人通过对带负电荷的MXene纳米片和带正电荷的三聚氰胺进行热退火，制造了高度皱缩的氮掺杂MXene纳米片，该纳米片具有高孔体积和高吸附能力（图5a和b）。掺氮MXene纳米片/硫正极在5.1 mg cm-2的高硫负载下实现了长期循环稳定性（2C下1000次循环）。由MXene空心微球组成的自支撑MXene薄膜（图5c）获得了高锂/钠存储。Sun等人通过MXene纳米片和三聚氰胺甲醛微球的自组装，然后进行热退火，制造了具有均匀孔径（~300 nm）的多孔N掺杂Ti3C2 MXene（P-NTC）（图5d和e）。由于P-NTC向多硫化物的化学捕获和催化转化得到改善，制备的S/P-NTC正极在2C下进行1200次循环后，每循环仅显示0.033%的低容量衰减。最近，Wu等人构建了一个自立式3D纳米带/硫正极（图5f）。纳米带形成相互连接的大孔结构，有利于高硫储存和快速锂离子扩散。此外，自立式正极避免了使用传统的铝集流体，从而提高了复合材料的比容量和LSB的整体能量密度。

图5. (a) N-Ti3C2TX的FESEM图像。

尽管取得了这一进展，但由于层间的氢键，MXene微结构往往会重新堆叠。为了解决这个问题，引入了具有大比表面积和大孔体积的轻质碳质材料来防止MXenes的重新堆积。Wang等人制备了一种MXene@mesoporous碳混合结构，它整合了MXenes和多孔碳的优点（图6a）

含有丰富官能团的Ti3C2 MXene有助于捕获硫和多硫化锂，而介孔碳骨架实现了高硫负载并有助于缓解显着的体积膨胀。因此，制备的混合S正极在0.5C下表现出超过300次循环的延长寿命。Sun等人通过空心碳球和MXenes的静电自组装制造了复合硫主体（表示为HPCSs@d-Ti3C2）。HPCSs和d-Ti3C2的复合包封硫和固定多硫化物。此外，引入一维聚乙烯亚胺（PEI）功能化的碳纳米管以防止MXene纳米片的聚集和重新堆叠（图6b）。由于带负电的MXene和带正电的CNT-PEI之间的强静电相互作用，获得了具有3D渗透网络和增强的表面积的多孔MXene结构（图6c）。Wang等人制造了一种独特的3D多孔Ti3C2TX MXene/rGO (MX/G)混合气凝胶作为多硫化物储层，实现了快速离子/电子传导和多硫化物的强化学锚定。最近，具有催化活性的杂原子被用于改善多硫化物的吸附和正极动力学。例如，基于MXene的Co、N共掺杂多孔碳纳米片/硫(MCoNPCNSs/S)正极通过在0.2C下提供1340.2 mA h g-1的高初始容量而表现出高电化学活性。Zhao等人通过在空心MXene微球上原位生长ZIF-67和ZIF-8纳米颗粒制备了空心Co-CNT@MXene主体。具有分层结构和大内部孔隙率的空心Co-CNT@MXene（图6d和e）确保了传质（图6g）和6 mg cm-2的高硫储存。嵌入的钴（图6f）均匀分散在导电碳纳米管上，加速了硫物质的转化动力学（图6h和i）；因此，空心Co-CNT@MXene/S正极表现出优异的倍率性能和长循环稳定性（900 mA h cm-2，1C下循环840次）。

图6. (a) Ti3C2TX@Meso-C的FESEM图像。

3D空心MXene基复合材料可有效储存硫和缓冲体积变化，已被开发为潜在的硫宿主；然而，基于3D空心MXene的复合材料由于其力学性能较差，普遍存在开裂现象，不利于大规模生产。此外，由于分散性差，硫可能会在大孔结构中聚集并形成微米级颗粒，导致硫利用率低和动态动力学差。松散多孔的3D MXene框架促进了大量电解质的吸收。多余的电解质会加速多硫化物的溶解，导致库仑效率低和循环性能差。

与空心球相比，实心球具有更高的机械强度和振实密度。因此，已经构建了一系列MXene架构，包括球状MXenes和花状MXenes，以提高电池的结构稳定性和重量能量密度。

例如，我们小组通过简易自旋蒸汽技术制造了由拓扑微球结构组成的超强、自支撑和超薄MXene薄膜（图7a和b）。基于MXene薄膜的复合锂负极在0.5 mA cm-2下表现出超过1300小时的高稳定性。Wu等人通过镍诱导的CNT原位生长结合喷雾干燥制备了N Ti3C2@CNT交织微球

N Ti3C2@CNT微球/S正极表现出长期循环稳定性（1C下1000次循环后每个循环的容量衰减率仅为0.016%）（图7d）；然而，由于其致密和紧凑的结构，MXene主体通常表现出低孔隙率，不适合高硫负载。此外，由于运输途径有限，它们的动力学很差。因此，Liang等人通过带负电的MXene纳米片和带正电的科琴黑/硫(KB/S)颗粒的自组装构建了一个交织的KB/S@Ti3C2TX正极。KB/S@Ti3C2TX正极在0.2C时提供了810 mAh cm-2的高可逆容量和6.4 mAh cm-2的高面积容量和5.6 mg cm-2的高硫面负载。Wang等人通过Ti3C2 MXene的自组装报告了高振实密度、极性和导电花状电极系统（FLPT）

每个花状结构由以不同角度取向的弯曲纳米片组成（图7f）。合成的FLPT-S电极提供了10.04 mAh cm-2的高面积容量和2009 mAh cm-3的超高体积容量（图7g）；然而，极性MXenes可能仅表现出有限的防止穿梭效应的能力，这不利于电池的长期稳定循环。为了改善多硫化物的吸附，将极性原子引入微球结构中。例如，Wu等人通过集成S@TiO2纳米球和MXene层制备了复合S正极。由于MXene层的高电导率以及TiO2对活性硫的包封和吸附，所获得的S正极显示出改善的初始放电比容量和倍率性能。Yang等人将单原子锌注入MXene以通过降低能垒来加速硫的氧化还原反应（图8a）。

由于SA-Zn-MXene限制硫的能力（图8b），S@SA-Zn-MXene正极通过显示1200 mA hg-1的高初始容量和良好的倍率性能（640 mA hg-1在6C）。然而，这些单一催化剂不能满足多硫化物吸附强、电子转移动力学快、多硫化物转化催化活性高等多重要求。因此，Chen等人通过应用表面应变调节来改善多硫化物的吸附和催化转化。由表面施加的内应力引起的扩大的Ti-Ti键促进了多硫化物转化为Li2S（图8c和d）。构建的具有互连框架的MXene/CNT多孔微球限制了硫的溶解并保持了结构稳定性（图8e）；

因此，MXene/CNT/S正极表现出高硫活性，0.2C下的初始容量为1451 mAh g-1，最大速率为8C，1C下的循环寿命超过500次。

图7. (a) MXene@CNF薄膜上的锂电镀示意图。

图8. (a)吸附在SA-Zn-MXene和MXene上的Li2S4的电荷密度。

自组装3D MXene微球结构显示出其优越的结构，可提高电极稳定性和电池的体积能量密度；然而，由于孔隙率有限，3D MXene/S微球正极通常表现出低硫负载和差的输运动力学，导致低重量能量密度和差倍率能力；因此，有必要在孔隙率和振实密度之间找到平衡点。

四、结论与展望

LSBs由于其理论能量密度高而成为有前景的电化学储能装置，但其电子导电性差、硫的溶解性和多硫化物的放电产物限制了其实际应用。设计硫主体是解决上述问题的有效策略。2D MXenes由于其高电导率、丰富的表面官能团、结构可操作性和催化等固有结构特征，在实现多硫化物的有效捕获-扩散-转化方面表现出卓越的能力。3D MXene架构可以提供有效的电子通路，缩短离子扩散距离，并提供足够的空间来容纳硫，缓冲巨大的电极体积变化，并为多硫化物吸收提供丰富的活性位点。本综述重点关注MXene架构设计的最新进展，包括2D纳米片、3D多层结构和3D球形结构及其在LSB中的应用。

2D MXene纳米片可以将硫均匀地分散在其表面上，并通过极性官能团和多硫化物之间的相互作用有效地捕获多硫化物。然而，MXene纳米片中的氢键可能会促进它们的重新堆叠，从而导致低硫负载、缓慢的离子传输动力学和较差的多硫化物吸附。或者，3D MXene架构比2D层状结构具有多个优势，因为它们具有更大的表面积、交织的通道以及出色的结构和机械稳定性。

3D多层结构中，纳米片被插入的物种分开，显示出更大的层间距，这允许更高的硫负载和更好地限制多硫化物。不幸的是，3D多层结构通常呈现开放结构，在长期循环过程中无法有效阻止多硫化物的溶解。进一步开发的具有大内部空隙和强壳的3D中空结构可以存储和限制硫，但内部的硫颗粒往往会聚集成大颗粒并表现出较低的电化学活性。此外，3D中空结构脆弱，导致电极结构稳定性和循环稳定性较差。具有致密结构的3D球形MXenes显示出高机械强度和高振实密度，但它们相对较低的孔隙率和弱催化能力导致硫负载量低和反应动力学差。上述结构优点的结合为未来的研究提供了新的方向，以实现多合一的性能要求，包括快速输运动力学、高硫负载、多硫化物限制、体积变化小和高重量/体积能密度。具有高孔隙体积、高比表面积和高机械性能的分层结构的3D MXenes可能被开发为一个可行的未来方向。

此外，建议采用表面/界面工程来可控地调节MXenes的表面性质，以提高其硫捕获能力和催化活性。例如，氧官能化和硫官能化的MXenes对多硫化物显示出强大的捕获和催化转化。此外，还应致力于探索反应机制以帮助设计合适的架构。因此，应使用原位成像、理论计算和COMSOL Multiphysics仿真等高级表征技术来支持力学分析。最后，采用低成本、环保、安全、高产的方法大规模制备MXenes，满足实际应用需求。

MXenes还显示了它们在隔膜和锂负极方面的应用潜力。MXenes具有高电子电导率和对多硫化物的强亲和力，已被设计为夹层材料或正极和隔膜之间的膨胀硫主体，以加速硫转化和捕获多硫化物。作为锂负极的界面层或主体，其高比表面积有助于降低局部电流密度，实现均匀的锂离子通量。锚定在MXene片表面的丰富的表面极性官能团对锂具有良好的亲和力，引导锂金属的均匀成核和生长，并稳定锂/电解质界面。具有3D互连网络结构的MXenes可以容纳Li的高面积容量，没有大的体积变化，保持稳定的电极体积。未来，全MXene基LSB有望提高其整体电化学性能。