杨会颖教授AFM綜述:金属硫化物作为可充电钠离子电极材料的最新策略和进展

储能技术 能源电池材料技术
储能之光    2021-01-14    159

  文章信息

  金属硫化物作为可充电钠离子电极材料的最新策略和进展

  第一作者:Yew Von Lim

  通讯作者:Hui Ying Yang*

  单位:新加坡科技設計大學

  研究背景

  后锂技术的成功开发取决于两个关键要素:性能和经济效益。由于可以同时满足这两个要求,钠离子电池(SIBs)已经成为大规模后锂电储能最理想候选者之一。虽然钠与典型锂离子电化学性质相似,钠离子半径却比锂离子大的多,锂电(LIBs) 中使用的典型石墨负极在热力学上不能嵌入钠离子,所以不能简单地选择LIBs的电极材料作为SIBs的电极材料。

  金属硫化物的合成方法用途广泛,利用潜力高,因此已被广泛用作高性能电极的材料。与金属氧化物相比,金属硫化物通常具有较高的电子传导率及更快速的电化学反应/活性(弱金属-硫化学键)。然而对于钠离子电池的应用,许多研究者仍然集中致力于基于其特征和性质优化以提升储钠,钠离子动力和稳定性。

  不同于典型综述基于单个硫化物材料进行分类讨论, 此文从材料工程/设计的角度,逐步总结了一些最有效的策略,旨在有效缓解这些材料性能上的缺点。

  文章简介

  近日,新加坡科技设计大学的Yang Hui Ying教授在 Advanced Functional Materials上发表综述,题为“Recent Tactics and Advances in the Application of Metal Sulfides as High-Performance Anode Materials for Rechargeable Sodium-ion Batteries” 。

  该观点文章综合分析针对金属硫化物钠电负极在提升效能(高容量,倍率,循环稳定性)所採用的一些常用手段(低维碳材料複合,纳米结构合成修饰等等)和具备高倍率的赝电容型材料,汇总了近期在研究此类课题上的进展。

图片.png  圖一:金属硫化物作为可充电钠离子电极材料的一些常用及最新策略,进展

  本文要点

  要点/策略一:低维碳材料複合

  在当前提升金属硫化物材料电化学性能的各类方法中,碳包覆/複合纳米材料被认为是最有效的方法之一,并获得广泛的应用在各个储能体系的电极材料中。低维碳基材料 (例如石墨烯,碳纳米管等等,)同时具备高导电,化学稳定性及可调控性种种优点。

  举例:

  (1)碳纳米管,石墨烯具有极佳导电性及其低维结构能有效形成连续导电网络,提升金属硫化物电极的导电能力和活性物质利用率;

  (2)石墨烯基材构建/複合的硫化物电极材料在循环寿命,快速充放,高容量都显示优异的性能及潜力;

  (3)低维碳基具备更大的比表面积及更灵活的空间构建特性,其高机械性强度能在承受快速充放电时缓衝活性材料体积变化,有助于提升稳定性。

  要点/策略二:纳米结构,複合金属硫化物的修饰与构建

  通过对电极材料的结构和成分的优化与调控是提升电化学性能最重要的途径之一。可控纳米结构,例如构建低维空心结构,複杂的核-壳及多壳结构,基于其特殊的缓衝空间,大比表面积及较短扩散距离等诸多优点都能针对金属硫化物体积膨胀问题,活性物质团聚给予有效的改善及运用前景。

  随着不同合成方法的发展/运用,如自模板法,选择性刻蚀,奥斯特瓦尔德熟化(Ostwald ripening)和柯肯德尔效应 (Kirkendell effect),目前甚至可有效,可控製备複杂的多壳结构。相较与典型的空心结构,多壳结构有更大的比表面积及活性材料负载量。其壳与壳之间的机械缓衝,在快速充放电时比之典型的空心结构,更有效的抑制体积膨胀,达到延长循环寿命的效果。

  要点/策略三:多金属硫化物及其他新型,高离子传导硫化物

  多元金属硫化物在高活性,提升倍率钠离子电池负电极材料的运用中逐渐获得重视。高本徵赝电容型的多金属硫化物(i。e。NiCo2S4, FeCoS, MnCo2S4等等)的独特导电机制意味著钠离子脱嵌多集中于表面,比之典型金属硫化物的体扩散反应(合金反应 Alloying,转化型反应Conversion)更加的迅速。在结合纳米结构优化,提升非本徵赝电容促使下,往往体现更高的倍率及循环性能。

  此外,高离子传导硫化物如二硫化铼(ReS2)除了具有与典型层状过度金属硫化物(MoS2,WS2等等)结构(高容量)。其独特的结构特性(弱层间偶合及晶格非对称)已在针对发展高倍率,长循环稳定硫化物电极材料取得初步关注。

  文章链接

  Recent Tactics and Advances in the Application of Metal Sulfide as High-Performance Anode Materials for Rechargeable Sodium-ion Batteries

  https://onlinelibrary。wiley。com/doi/full/10。1002/adfm。202006761

  通讯作者介绍

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  杨会颖,新加坡科技与设计大学副教授/博士生导师。

  2006年于新加坡南洋理工大学获得博士学位。随后获得新加坡政府授予的千禧博士后和李光耀学者奖励资助进行科研教学工作。2010年加入新加坡科技设计大学任教,于2011年在麻省理工学院机械工程系工作一年。现任英国皇家化学学会会士,美国材料学会,美国工程学会,新加坡物理学会,材料学会会员。她曾荣获多项国际科技奖项,其中包括2010年获新加坡欧莱雅女性国家科学家奖,2013年获新加坡杰出青年工程成就奖,2013年获陈嘉庚青年发明家奖,2014年获美国工程学会杰出青年奖,2018年获新加坡物理学会纳米科技奖。她主持多个国际、新加坡国家重大项目研究课题工作,主张通过功能设计、低维纳米材料的化学掺杂等方式为可持续能源和环境提供各种高效的设备和技术。迄今为止,在Nat。 Commun。, Matter, Adv。 Mater。, Energy & Environ。 Sci。, Chem等期刊上发表SCI论文260余篇,他引12000次, H指数61,并有多项专利。

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