研究背景
鈉離子電池作為鋰離子電池最有潛力的替代產(chǎn)品，仍存在很多問(wèn)題阻礙了其商業(yè)化。層狀過(guò)渡金屬氧化物陰極由于其易于合成、比容量大和離子電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的廣泛關(guān)注，但是通常由于充放電過(guò)程中的不可逆相變和濕度敏感導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等導(dǎo)致材料的電化學(xué)性能差。近年來(lái)，為了解決這些問(wèn)題，人們付出了巨大的努力，以獲得先進(jìn)的高性能層狀氧化物陰極。本文總結(jié)了層狀結(jié)構(gòu)陰極材料的合成方法、存在的問(wèn)題以及相應(yīng)的改性策略，希望能夠?yàn)楂@得穩(wěn)定的高性能層狀氧化物材料提供有益的指導(dǎo)。
▲ Main challenges and solutions of SIB layered cathode materials. |
研究?jī)?nèi)容
1. 層狀過(guò)渡金屬氧化物的制備方法
材料的制備方法對(duì)電池性能有很大的影響，用不同方法合成的材料在結(jié)構(gòu)、粒徑、形貌和電化學(xué)性質(zhì)方面都有很大的差異，所以我們可以通過(guò)控制材料的形貌、顆粒尺寸、結(jié)晶度和相純度等來(lái)提高性能。該研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)了我們常用的幾種合成方法，并對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的比較。
2. 層狀過(guò)渡金屬氧化物面臨的挑戰(zhàn)
層狀過(guò)渡金屬氧化物主要面臨的挑戰(zhàn)有三個(gè)，即不可逆的相變，由濕度敏感引起的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和電化學(xué)性能衰減，這些都阻礙了層狀氧化物的應(yīng)用。通過(guò)原位 XRD，人們可以觀察到 P2 型材料通常會(huì)發(fā)生 P2-O2 相變，而 O3 型會(huì)發(fā)生更復(fù)雜的相變。這種不可逆相變的發(fā)生將導(dǎo)致陰極材料的結(jié)構(gòu)退化和容量衰減。此外，層狀材料對(duì)環(huán)境非常敏感，空氣中的水分和二氧化碳會(huì)在一定程度上影響材料。同時(shí)，與電解質(zhì)的副反應(yīng)將導(dǎo)致材料的電化學(xué)性能的退化。
3. 層狀過(guò)渡金屬氧化物改性策略
針對(duì)前面提到的三個(gè)主要問(wèn)題，研究人員為獲得具有優(yōu)良性能的電極材料進(jìn)行了不斷的努力和探索。該研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)了針對(duì)這三個(gè)問(wèn)題人們進(jìn)行的改性策略主要有元素?fù)诫s、結(jié)構(gòu)調(diào)控、表面改性和復(fù)合相位調(diào)控。元素?fù)诫s通常用于抑制材料循環(huán)過(guò)程中不可逆的相變，通過(guò)表面涂層可以減少粒子表面和電解質(zhì)之間發(fā)生的副反應(yīng)，并且可以保護(hù)陰極材料免受空氣中水分和二氧化碳的影響。同時(shí)，我們可以設(shè)計(jì)材料的結(jié)構(gòu)和相位，獲得滿意的電極材料。
1）元素?fù)诫s：過(guò)渡金屬離子在循環(huán)過(guò)程中往往會(huì)發(fā)生不可逆遷移，引發(fā)材料的結(jié)構(gòu)畸變，從而導(dǎo)致一系列不可逆相變，最后導(dǎo)致層狀過(guò)渡金屬氧化物的電化學(xué)性能衰減。很多研究人員為了抑制材料的相變，將一些電化學(xué)活性/非活性元素（如 Mg、Zn、Al、Cu 和 Li 等）摻雜到層狀過(guò)渡金屬氧化物中，從而改善了材料的電化學(xué)性能，使之成為一種有效的改性策略。
2）微納結(jié)構(gòu)控制合成：塊狀過(guò)渡金屬氧化物材料在循環(huán)過(guò)程中往往會(huì)遇到差的離子電導(dǎo)率和巨大的體積變化等問(wèn)題，為解決這些問(wèn)題，研究人員做出了很大的努力，包括調(diào)控陰極材料的尺寸，涂層和設(shè)計(jì)空心的微/納米結(jié)構(gòu)。
總結(jié)與展望
總的來(lái)說(shuō)，作為 LIBs 最具有潛力的替代產(chǎn)品，SIBs 的商業(yè)化仍存在著很多問(wèn)題。層狀過(guò)渡金屬氧化物材料由于具有較高的容量、易于合成和與 LIBs 陰極類似物有相似的化學(xué)反應(yīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，但是 NaxTMO2 在循環(huán)過(guò)程中往往存在復(fù)雜的相變和過(guò)渡金屬離子的溶解與遷移等問(wèn)題，因此必須制定相應(yīng)的策略來(lái)解決這些問(wèn)題。
這一綜述近期發(fā)表在 Nanoscale Horizons 上，文章第一作者是史彩紅碩士，通訊作者為溫州大學(xué)金輝樂(lè)教授和加拿大溫莎大學(xué)王繼昌教授。
論文信息
Challenges of layer-structured cathodes for sodium-ion batteries
Caihong Shi, Liguang Wang, Xi’an Chen, Jun Li, Shun Wang, Jichang Wang*（王繼昌，加拿大溫莎大學(xué)） and Huile Jin*（金輝樂(lè)，溫州大學(xué)）
Nanoscale Horiz., 2022
http://doi.org/10.1039/D1NH00585E
溫州大學(xué)作者簡(jiǎn)介
浙江省“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才， “溫州市高層次人才特殊支持計(jì)劃”青年拔尖人才，溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院副院長(zhǎng),浙江省皮革工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，溫州市先進(jìn)能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國(guó)高起點(diǎn)新刊期刊 Carbon Energy 執(zhí)行編輯，國(guó)際高水平期刊 Frontiers in Chemistry 和 Battery Energy 編委。長(zhǎng)期致力于碳材料的設(shè)計(jì)合成及在新能源與高分子方面的應(yīng)用研究。近五年，先后主持 3 項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、1 項(xiàng)浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目及 10 余項(xiàng)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化研發(fā)項(xiàng)目，相關(guān)研究發(fā)表 SCI 學(xué)術(shù)論文 100 多篇，6 篇入選 ESI 高引論文，其中以第一/通訊作者發(fā)表 IF > 20 的論文 4 篇，IF > 10 的論文 13 篇，包括 Adv. Mater. (1 篇)、J. Am. Chem. Soc. (1 篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (4 篇)、Adv. Energy Mater. (3 篇)，Adv. Funct. Mater. （1 篇）、Nano Energy（1 篇）、Small（1 篇）、ACS Nano（1 篇）。多次組織和擔(dān)任國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議副主席，并應(yīng)邀在國(guó)際和國(guó)內(nèi)會(huì)議、高校等邀請(qǐng)報(bào)告 10 余次。獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利 67 項(xiàng)，獲授權(quán)美國(guó)專利 1 項(xiàng)，參編教材 3 部。兼職擔(dān)任全國(guó)塑料制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)聚氨酯制品標(biāo)準(zhǔn)化工作組委員，全國(guó)材料與器件科學(xué)家智庫(kù)復(fù)合材料專家委員會(huì)常務(wù)委員，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目評(píng)審專家。
