Japan Fine Ceramics Center(JFCC)與早稲田大學等組成之研究團隊發表了一項研究成果，成功針對全固態鋰電池之二維材料「MXene (Ti₃C₂Tₓ)」進行充放電過程中的電池反應原位觀察。研究指出，若能精確控制MXene的晶體結構與表面官能基，將可開發兼具高容量與高耐久性的MXene電極材料。
MXene是一種厚度僅數個原子層的片狀二維材料，具有優異的電氣傳導性與鋰離子可逆嵌入/脫嵌特性，因此被視為次世代電池的潛力材料。然而，在實際電池運作過程中，鋰離子於MXene內部的遷移行為與伴隨發生的電化學反應機制，過去尚未獲得充分解析。
在此次研究中，研究團隊採用早稻田大學開發的MXene (Ti₃C₂Tₓ)作為電極材料並製作全固態鋰電池，且結合JFCC開發之掃描穿透式電子顯微鏡(STEM)與電子能量損失光譜法(Electron Energy Loss Spectroscopy; EELS)技術，成功實現電池運作狀態下的原位觀察。透過此分析方法，研究團隊能夠同步解析MXene內部鋰離子的遷移行為或是氧與鈦元素電子態的動態變化。
研究結果顯示，在MXene電極內部同時進行3種不同反應機制，包括鋰離子於MXene奈米片層間之嵌入與脫嵌反應、MXene表面鋰與氧反應生成並分解氧化鋰(Li₂O)的反應，以及除了MXene電極本身之外，界面附近固態電解質於充放電過程中發生還原分解反應。
此外，研究亦發現MXene奈米片表面的終端基（如氧等）種類，會顯著影響鋰離子的移動特性與反應進程。尤其是具有較高氧終端比例的MXene，雖可提升鋰儲存能力，但同時也更容易促進氧化鋰的生成，對循環穩定性可能產生影響。
此項研究成果釐清了MXene電極於全固態鋰電池中的多重反應機制，將可為後續透過表面化學與結構工程設計高性能MXene電極材料提供重要依據，亦能為次世代高能量密度與高耐久全固態鋰電池的開發奠定關鍵基礎。