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【透视聚焦】二维金属氧化物助力二次电池发展

【透视聚焦】二维金属氧化物助力二次电池发展

石墨烯的研究引发了人们对各种二维材料的探索。时至今日,二维材料的制备技术和应用领域不断拓宽延伸,主要是因为纳米级别的超薄片层状材料可以呈现出与块体材料不同的物理和化学性质。在诸多的二维材料中,金属氧化物纳米片材料具有较低的生产成本,较好的环境相容性,较好的化学稳定性,较高的化学活性界面,较短的离子传输距离以及优异的电子传输动力学。因此,二维金属氧化物纳米片在可充电电池领域具有较高的应用潜力。近年来,有关二维金属氧化物的研究日益增多,其中涉及的应用大部分都集中在电化学领域。最近,澳大利亚昆士兰科技大学大学孙子其课题组的综述文章“Two-Dimensional Metal Oxide Nanomaterials for Next-GenerationRechargeable Batteries”详细总结了当前二维金属氧化物的制备方法以及在可充电电池领域的进展情况。该文章先总结了二维金属氧化物纳米材料的常见的制备方法,紧接着简述了常见的几种可充电电池的储能机理,主要包括锂离子电池,钠离子电池,锂硫电池,锂空电池。然后详细的总结了常见的几种二维金属氧化物纳米材料(主要包括钒氧化物,钴氧化物,锡氧化物,镍氧化物,锰氧化物,铁氧化物等)的制备方法以及在各种可充电电池中的探索性的应用。最后,二维金属氧化物纳米材料在实际应用中遇到的挑战以及未来发展的可行性路径。该文章发表在材料领域国际顶级期刊《Advanced Materials》上(影响因子:19.791),并在该期刊以Frontispiece的形式给予亮点报道。

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●总体概览图

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第一部分—二维金属氧化物纳米片的主要制备策略

目前,制备二维金属氧化物纳米片的方法主要分为两种,即“自上而下”法和“自下而上”法。其中第一种方法主要是指剥离法,比如常见的液相剥离和热剥离,该工艺相对比较简单,产物结晶度较高,比较容易批量制备,但产品质量分布不均,厚度控制难以实现,最大的缺点就是非层状金属氧化物前驱体无法通过剥离得到对应的纳米片;后者主要是自组装方法,该方法产率相对比较高,产品质量比较均一,适合大规模的批量制备,但工艺稍微复杂,对溶液反应条件的控制比较高。

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图1 二维金属氧化物纳米片的合成策略


第二部分—常见的几种可充电电池的储能机理

该部分总结了常见的四种电池的储能机理,指出了各种电池的优势以及当前面对的挑战。锂离子电池是研究最早也最广泛的电池,但极限容量较低,而且安全问题始终没有很好的解决。钠电池的储能机制与锂电池类似,而且钠的来源丰富,成本比较低,但钠离子半径比较大,充放电的过程非常缓慢锂氧电池的关键在于高效率的氧催化剂的研究开发。金属氧化物在锂硫电池中的作用之一是可以有效阻止聚硫化物的溶解

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图2 几种常见可充电电池的储能机理


第三部分—二维金属氧化物纳米片在可充电电池中的应用

该部分重点详细综述了常见的几种二维金属氧化物的制备策略以及在电池中的应用。这些氧化物包括钒氧化物,钴氧化物,锡氧化物,镍氧化物,锰氧化物,铁氧化物,三元金属氧化物以及混合或者异质金属氧化物。

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图3 钒氧化物的制备以及在电池中的应用

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图4 钴氧化物的制备以及在电池中的应用

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图5 锡氧化物的制备以及在电池中的应用

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图6 镍氧化物的制备以及在电池中的应用

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图7 锰氧化物的制备以及在电池中的应用

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图8 铁氧化物的制备以及在电池中的应用


第四部分—结论与展望

尽管二维金属氧化物的前景广阔,但也面临着诸多挑战,比如大多数金属氧化物的导电性能差,片状材料的自聚导致活性位点的丢失,充放电过程中的材料的体积膨胀,充放电过程反应路径的确定,以及层数可控的制备方法的探索。目前发展中的几个可行性策略(比如与导电碳基材料杂化,螺旋多孔结构的设计,多元金属氧化物的发展)能很好的解决部分问题。然而,从长远来看,我们面对的困难依旧重重,对于充放电过程中的各种可能的反应以及材料的各种结构组分变化仍然需要更深入的研究。我们相信金属氧化物纳米片的研究会进一步推动二维材料的发展,也为可充电电池的未来研究以及产业化提供一定的参考。


Jun Mei, Ting Liao, Liangzhi Kou, Ziqi Sun*,Two-dimensional metal oxide nanomaterials for next-generation rechargeablebatteries, Adv Mater, 2017, 29, 1700176. DOI: 10.1002/adma.201700176.


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