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Nanoscale Horizons:钠离子电池层状结构阴极材料面临的挑战

发布时间:2022-03-21    来源:化学与材料工程学院    作者:史彩红    点击次    [点击关闭]

Caihong Shi, Liguang Wang, Xian Chen, Jun Li, Shun Wang, Jichang Wang and Huile Jin

Challenges of layer-structured cathodes for sodium-ion batteries

DOI: 10.1039/D1NH00585E

 

钠离子电池作为锂离子电池最有潜力的替代产品,仍存在很多问题阻碍了其商业化。层状过渡金属氧化物阴极由于其易于合成、比容量大和离子电导率高等优点引起了人们的广泛关注,但是通常由于充放电过程中的不可逆相变和湿度敏感导致的结构不稳定等导致材料的电化学性能差。近年来,为了解决这些问题,人们付出了巨大的努力,以获得先进的高性能层状氧化物阴极。本文总结了层状结构阴极材料的合成方法、存在的问题以及相应的改性策略,希望能够为获得稳定的高性能层状氧化物材料提供有益的指导


Main challenges and solutions of SIBs layered cathode materials.

文章要点

  1. 层状过渡金属氧化物的制备方法

    材料的制备方法对电池性能有很大的影响,用不同方法合成的材料在结构、粒径、形貌和电化学性质方面都有很大的差异,所以我们可以通过控制材料的形貌、颗粒尺寸、结晶度和相纯度等来提高性能。该研究团队总结了我们常用的几种合成方法,并对这些方法的优缺点进行了一个简单的比较。

  2. 层状过渡金属氧化物面临的挑战

    层状过渡金属氧化物主要面临的挑战有三个,即不可逆的相变,由湿度敏感引起的结构不稳定和电化学性能衰减,这些都阻碍了层状氧化物的应用。通过原位XRD,人们可以观察到P2型材料通常会发生P2-O2相变,而O3型会发生更复杂的相变。这种不可逆相变的发生将导致阴极材料的结构退化和容量衰减。此外,层状材料对环境非常敏感,空气中的水分和二氧化碳会在一定程度上影响材料。同时,与电解质的副反应将导致材料的电化学性能的退化。

  3. 层状过渡金属氧化物改性策略

    针对前面提到的三个主要问题,研究人员为获得具有优良性能的电极材料进行了不断的努力和探索。该研究团队总结了针对这三个问题人们进行的改性策略主要元素掺杂、结构调控、表面改性和复合相位调控。元素掺杂通常用于抑制材料循环过程中不可逆的相变,通过表面涂层可以减少粒子表面和电解质之间发生的副反应,并且可以保护阴极材料免受空气中水分和二氧化碳的影响。同时,我们可以设计材料的结构和相位,获得满意的电极材料。

     

总结与展望

    总的来说,作为LIBs最具有潜力的替代产品,SIBs的商业化仍存在着很多问题。层状过渡金属氧化物材料由于具有较高的容量、易于合成和与LIBs阴极类似物有相似的化学反应引起了人们的广泛关注,但是NaxTMO2在循环过程中往往存在复杂的相变和过渡金属离子的溶解与迁移等问题,因此必须制定相应的策略来解决这些问题。

这一综述近期发表在Nanoscale Horizons上,文章第一作者是温州大学碳能源与催化科学研究所金辉乐教授指导的史彩红硕士研究生,通讯作者为温州大学金辉乐教授和加拿大温莎大学王继昌教授

 

论文相关信息

   论文标题:Challenges of layer-structured cathodes for sodium-ion batteries

   论文网址:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/nh/d1nh00585e

       DOI10.1039/D1NH00585E