《Nat. Commun》重磅：MXene赋能石墨负极，-20°C低温下循环1200次容量保持93%

前沿摘要

近日，国际顶尖学术期刊《Nature Communications》发表了一项在锂离子电池领域取得重要突破的研究成果。该研究题为《MXeneconfigured graphite towards longlife lithiumion batteries under extreme conditions》（https://doi.org/10.1038/s41467-025-63443-w），由北京航空航天大学、浙江工业大学、西安交通大学的研究团队联合完成。团队开发了一种巧妙的界面重构策略，成功利用MXene材料显著提升了锂电池在极低温和高倍率充电等极端条件下的性能与寿命。

核心内容

研究团队的核心创新在于，通过静电自组装技术，将具有独特二维结构的MXene纳米片精准地“包裹”在石墨颗粒的基面上，形成一种特殊的“三明治”结构（MXene-石墨-MXene）。 

这种方法妙在两点：

1.增强锂吸附，降低成核屏障：MXene界面极大地增强了其对锂离子的吸附能力，并将锂的成核过电位降至传统石墨的四分之一，使得锂离子更容易均匀地沉积。

2.引导锂定向生长，根除枝晶：更为关键的是，MXene的晶格与金属锂最致密的（110）晶面具有极佳的匹配度。这像是为锂的沉积提供了完美的“模板”，引导锂原子沿水平方向有序、致密地生长，从根本上抑制了刺穿隔膜、导致短路和容量衰减的元凶——锂枝晶的产生。 

实验结果令人振奋：即使在零下20°C的严苛低温下，采用该负极的Ah级软包电池在1200次循环后容量保持率仍高达93%，同时实现了273Wh/kg的高能量密度。这远优于传统石墨负极电池（容量保持率仅43%，能量密度191Wh/kg）。即使在10C的高倍率下，电池也展现出优异的循环稳定性。

研究意义

这项研究不仅为解决长期困扰锂电池产业的低温性能衰减和快充安全难题提供了全新的、有效的解决方案，也展现了MXene这类二维材料在设计和开发下一代高性能储能器件中的巨大应用潜力。该策略普适性强，有望进一步推广至硅基负极、锂金属电池等体系，为开发兼具高能量密度、长寿命和高安全性的未来电池指明了方向。

图1:在极端条件下通过从碳到MXene的界面重构有效消除锂离子电池中锂枝晶的示意图

图2:MXene构型石墨电极在MXene界面处的锂沉积机理的实验与理论研究

图3:MXene构型石墨电极的电化学性能

图4:采用MXene构型石墨电极的安时级软包电池在极端条件下的电化学性能

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