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过渡金属硫化物/硒化物在钠离子电池中存在的机遇与挑战

随着社会不断进步,科技不断创新,人们对于能源的需求日益增加。如何对能源进行合理的储存以及有效的转化利用成为当今科研工作者首要解决的难题。目前锂离子电池凭借着稳定的性能和成熟的工艺被广泛的运用在各种电子设备当中。然而锂资源的匮乏促使我们对新一代的储能设备进行开发研究。钠离子电池因钠资源的广泛存在而被认为是最有希望的新一代储能体系。钠离子相对于锂离子半径和质量都较大,从而导致了部分材料在钠离子电池中没有活性或者存在着较差的反应动力学。尤其是负极材料,例如石墨在碳酸酯类溶剂作电解液时几乎没有储存钠离子能力。因此对于负极材料的探索和研究迫在眉睫。过渡金属硫化物/硒化物作为钠离子电池的负极材料近些年来得到了广泛的关注。相比其他负极材料来说过渡金属硫化物/硒化物的形貌设计更加容易、可控,展现出较高的比容量。通过对电池体系进行优化设计,能获得优异的倍率性能和良好的循环稳定性。

过渡金属硫化物/硒化物在钠离子电池中存在的机遇与挑战

澳大利亚伍伦贡大学的侴术雷课题组对过渡金属硫化物/硒化物在钠离子电池的应用进行了总结。从材料的物相、形貌、反应机理、反应动力学等多个角度细致地描述了该类材料所面对的机遇与挑战。文章指出,过渡金属硫化物/硒化物的电化学反应过程大多为多电子反应,容量较高。但是在电化学反应过程中,电极材料体积变化严重,容易造成电极粉化,从而降低效率与寿命。同时深度放电产生的多硫化物易溶于电解液造成活性材料的流失。在已有文献中,大多采用碳材料修饰,例如用负载或包覆碳的方式来抑制电极材料的膨胀,减少多硫化物与电解液的接触,从而有效的提高材料的循环稳定性和倍率性能。另外对于材料的形貌控制,例如零维的纳米颗粒,一维的纳米线、纳米管,二维的纳米片以及多维度的复合形貌都有利电极反应的高效率进行。文章还指出,为了从根本上解决多硫化物的溶解问题,也可以对放电深度进行调节,配合合适的电解液选取,进而改善电池的循环稳定性和倍率性能。此外,作者提出目前对于部分材料电极反应过程的讨论及表征结果还不统一,存在着分歧,有待进一步研究。最后作者认为,过渡金属硫化物/硒化物具有的高的理论容量,以及材料形貌的可塑性、可控性。这些优势必将使其在某些特殊的领域大放异彩。

该综述论文已发表在Advanced MaterialsDOI:10.1002/adma.201700606)上。第一作者是博士生轷喆

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