注册 | 登录
|
钠离子电池是大规模储能领域的重要发展方向之一,而层状氧化物则是最有潜力的正极材料体系。该类材料的循环性能与充放电过程中的结构演变密切相关,深入理解钠离子层状氧化物材料的结构及其演变规律,尤其是高电压下的结构演化过程,为设计新型正极材料具有重要意义。
本文作者团队长期致力于该领域研究,积累深厚。作者基于已有的文献报道,结合团队的工作,对电化学充放电过程中钠离子脱嵌引发的结构演变进行了全面总结与深入探讨,对后续材料设计有指导价值,为发展更高性能的钠离子电池电极材料提供了参考。
文章信息
钠离子层状氧化物材料相变及其对性能的影响
Phase transitions of Na-ion layered oxide materials and their influence on properties
丁飞翔,容晓晖,王海波,杨佯,胡紫霖,党荣彬,陆雅翔,胡勇胜
物理学报, 2022, 71(10): 108801.
doi: 10.7498/aps.71.20220291
原文链接 PDF
文章导读
为实现碳达峰和碳中和,开发应用可再生绿色清洁能源(如太阳能、风能、水能等)日益重要,并与此同时衍生出对廉价、高效的储能新体系的需求。因为钠资源在地壳和海洋中含量丰富、分布广泛且成本低廉,钠离子电池在大规模电力存储上表现出广阔的应用潜力。近十几年来,各种正极材料作为钠离子电池关键组成之一得到广泛研究,比如层状氧化物、聚阴离子类化合物、普鲁士蓝类化合物、有机化合物等。钠离子层状过渡金属氧化物(NaxTMO2,TM一般为过渡金属,x≤1)与成功商业化应用的锂离子层状氧化物相似,具有比容量较高、制备简单、压实密度高、电压范围可调等优势,得到了大量研究。
但是,迄今为止,在钠离子层状氧化物正极材料中仍有两大挑战亟需解决,一是在较高电压充电态下层状结构很难维持稳定,限制了可以稳定可逆脱出/嵌入的Na+的含量,从而很难兼顾高能量密度和长循环寿命这两大指标;二是一部分性能优异的层状氧化物在初始态呈现出缺钠态,如Na2/3TMO2。缺钠的初始相往往为P2相结构,虽然该结构的材料在钠离子脱出/嵌入过程中展现出相比于O3相结构较好的稳定性和钠离子导通性,但是缺钠的特性降低了他们首周的充电容量,尤其是与不含钠离子的负极材料匹配全电池时限制了有效比容量的发挥,因此需要预钠化。
经过近些年来的发展,钠离子电池综合性能和示范应用均取得了显著的成效。钠离子电池作为锂离子电池的有益补充将在大规模储能和微型电动车领域取得长足发展。高比能量的电极材料仍将是人们孜孜以求的目标,然而钠离子层状氧化物正极材料在实现更多钠离子可逆脱出/嵌入时,体系面临复杂的结构演变,严重影响其长循环过程中的容量保持率。例如:1)复杂的相转变,P2或O3正极材料在体相钠离子含量不足1/3时,将发生P型结构向O型结构的演变并引起较大的体积变化,进一步会诱导晶间裂纹的产生和过渡金属离子溶解;2)不可逆的过渡金属离子迁移,尤其是富含Fe和Cr的材料,在体系中的钠离子含量较少时晶格能发生显著变化,致使过渡金属离子迁移到钠层的四面体位或者八面体位;3)电解液副产物的共嵌入,高度缺钠态的O型结构化学稳定性显著降低,会引发电解液分解的小分子产物进入层状晶格,导致活性储钠位点的损失。
尽管对过渡金属位掺杂或替代可以显著抑制相转变、抑制过渡金属离子的迁移和提高脱钠态材料的化学和电化学稳定性,但会不可避免地降低体系氧化还原电对的含量进而影响体系能量密度,且掺杂离子含量太少将不足以稳定层状氧化物材料的结构。另外,可能通过对钠离子位进行掺杂K+、Mg2+、Ca2+或Zn2+,起到支柱作用,从而有效缓解钠层O-O之间的静电排斥作用,抑制相转变的发生,但是掺杂量很难做大,而且同样会牺牲体系的能量密度。包覆改性在锂离子层状氧化物正极材料的应用较多且效果显著,但是在钠电层状氧化物中的研究还较少。主要是因为钠离子层状氧化物的空气和水稳定性较差,这使得在锂电中常用的水溶液包覆方法在钠电中不再适用,而且复杂的操作流程会显著提高电极材料的制备成本。因此发展简单有效且可以提高钠电层状氧化物材料较高比容量下的循环性能的包覆方法势在必行。
本文详细介绍了钠离子层状氧化物材料的结构及其演变规律,尤其是高电压下的结构演化过程。深入理解组成和结构演变之间的关系以及对电化学性能的影响,能够为我们合理设计下一代正极材料提供新的见解。
图1 (a)-(e)常见钠离子层状材料的晶体结构示意图,插图为层状结构中过渡金属和钠离子多面体的连接机理示意图;(f)从垂直于过渡金属层的方向观察六方和单斜结构和晶胞参数的区别和联系。
图2 (a)P3相过渡金属层可能的滑移方向α和β;(b)O1相的晶体结构示意图;(c)通过α和β滑移P3相向O3、O1、OPO13和O1PO3相的转变示意图;(d)通过α和β滑移P3相向OO1P3、O1OP3、POO13和 PO1O3相的转变示意图;(e)通过α和β滑移P3相向OP2相的转变示意图。晶体结构观察方向为[100],钠位为黄色多面体,过渡金属位于紫色八面体,结构示意图中没有考虑晶胞参数的变化。
作者简介
胡勇胜
中国科学院物理研究所研究员
英国皇家化学学会会士/英国物理学会会士。先后承担了国家科技部863创新团队、国家杰出青年科学基金等项目。自2001年以来,主要从事先进二次电池的应用基础研究,在钠(锂)离子电池正负极材料、多尺度结构演化、功能电解质材料等方面取得多项创新性研究结果。在Science、Nature Energy、Nature Mater.、Joule、Nature Commun.、Science Adv. 等学术期刊上共合作发表论文200余篇,引用30000余次,H-因子94,连续8年入选科睿唯安 “高被引科学家”名录。合作申请60余项中国发明专利,已授权40项专利(包括多项美国、日本、欧盟专利)。
容晓晖
中国科学院物理研究所特聘研究员、博士生导师
主要从事新型钠离子电池正极材料(层状氧化物、磷酸盐、普鲁士蓝等)、固态钠电池(NASICON固体电解质、新型聚合物固体电解质的设计与合成)研究。至今已在Nature Sustainability、Joule、Journal of American Chemical Society、Energy Storage Materials等国际知名学术期刊上发表学术论文30余篇,申请20余项国际和中国发明专利,参与撰写《钠离子电池科学与技术》,撰写原创科普文章50余篇。
专题精选
二维材料的宏观制备
固态单量子体系的调控与应用
纳米工程和热物理(II)
微纳光电子与激光
太赫兹生物物理
非平衡量子多体系统(I)
纳米工程和热物理(I)
量子计算与量子信息
热电材料及应用物理
原子制造: 基础研究与前沿探索(III)
多铁性:物理,材料及器件专题
精密测量物理专题
铁基高温超导发现十周年
特邀综述精选
人工微纳结构增强长波及甚长波红外探测器
后摩尔时代的碳基电子技术:进展、应用与挑战
凝聚态体系中激发态载流子动力学研究
基于石英增强光声光谱的气体传感技术研究进展
齿鲸生物声呐目标探测研究综述
褶皱状蜂窝结构的单层二维材料研究进展
从“魔角”石墨烯到摩尔超晶格量子模拟器
石墨烯在金属表面防腐中的应用
从高质量半导体/超导体纳米线到马约拉纳零能模
霍尔天平材料的多场调控
飞秒光纤激光相干合成技术最新进展
磁场中拓扑物态的量子输运
转录机器: 绳上舞者
论材料非晶形成中的焓与熵: 竞争亦或协同?
二维材料热传导研究进展
齿鲸生物声呐发射特性与波束调控研究
自组织结构的控制: 从平衡过程到非平衡过程
层状手性拓扑磁材料Cr1/3NbS2的磁学特性
膜间相互作用、开弦对产生和增强效应及其可能的实验探测
基于深紫外激光-光发射电子显微技术的高分辨率磁畴成像研究
非晶态物质原子局域连接度与弛豫动力学
Verwey相变处Fe3O4的结构、磁性和电输运特性
纳米光学辐射传热: 从热辐射增强理论到辐射制冷应用
拓扑材料中的超导
基于聚焦离子束纳米剪纸/折纸形变的三维微纳制造技术及其光学应用
腔自旋波混合系统的研究进展
微纳尺度体点导热的拓扑优化
声学超构材料及其物理效应的研究进展
基于二维纳米材料的超快脉冲激光器
重费米子材料与物理
在人工拓扑超导体磁通涡旋中寻找Majorana零能模
具有变革性特征的红外光电探测器
二维极化激元学近场研究进展
化学气相沉积石墨烯薄膜的洁净转移
复杂声学环境中人耳附近空间有源降噪研究
利用光谱和质谱成像技术实现指纹痕量检测
类KBe2BO3F2结构硼酸盐深紫外非线性光学材料的研究进展
中远红外非线性光学晶体研究进展
二维有机拓扑绝缘体的研究进展
核壳结构磁性复合纳米材料的可控合成与性能
高温压电材料、器件与应用
无衍射光束的产生及其应用
基于光量子态避错及容错传输的量子通信
双连续型乳液凝胶(Bijel)的研究进展
基于第一性原理的新型非线性光学晶体探索
观点和展望精选
青年科学评述精选
面向先进光源线站等大科学装置的低温X射线能谱仪原理及应用进展
基于过渡金属硫族化合物同质结的光电探测器
里德堡原子多体相互作用的研究进展
液相外延层层浸渍组装金属-有机框架薄膜及其物理性能
自旋轨道耦合量子气体中的一些新进展
过渡金属硫族化合物柔性基底体系的模型与应用
新型助熔剂助力铁基超导1111体系单晶生长和物理研究
《物理学报》在淘宝店和微店上线,扫码即可购买过刊和现刊。
Archiver| 手机版| 科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )
GMT+8, 2024-5-28 12:55
Powered by ScienceNet.cn
Copyright © 2007- 中国科学报社
深圳SEO优化公司和县网站制作哪家好菏泽关键词按天收费银川企业网站改版推荐威海外贸网站制作梧州至尊标王多少钱玉溪关键词按天计费价格张北网站推广工具多少钱潮州高端网站设计价格中山外贸网站制作赤峰网站建设公司阜新如何制作网站报价宣城企业网站建设推荐邯郸百度爱采购报价绥化至尊标王推荐果洛网站排名优化推荐金华网站排名优化光明模板推广推荐萍乡网络营销报价横岗网络推广价格沙井推广网站推荐萍乡至尊标王报价荆州网站推广工具报价长葛网站优化推广塔城如何制作网站推荐文山关键词按天计费公司铜川模板网站建设多少钱蚌埠优秀网站设计公司海西百度竞价包年推广推荐防城港关键词排名包年推广哪家好崇左优秀网站设计哪家好歼20紧急升空逼退外机英媒称团队夜以继日筹划王妃复出草木蔓发 春山在望成都发生巨响 当地回应60岁老人炒菠菜未焯水致肾病恶化男子涉嫌走私被判11年却一天牢没坐劳斯莱斯右转逼停直行车网传落水者说“没让你救”系谣言广东通报13岁男孩性侵女童不予立案贵州小伙回应在美国卖三蹦子火了淀粉肠小王子日销售额涨超10倍有个姐真把千机伞做出来了近3万元金手镯仅含足金十克呼北高速交通事故已致14人死亡杨洋拄拐现身医院国产伟哥去年销售近13亿男子给前妻转账 现任妻子起诉要回新基金只募集到26元还是员工自购男孩疑遭霸凌 家长讨说法被踢出群充个话费竟沦为间接洗钱工具新的一天从800个哈欠开始单亲妈妈陷入热恋 14岁儿子报警#春分立蛋大挑战#中国投资客涌入日本东京买房两大学生合买彩票中奖一人不认账新加坡主帅:唯一目标击败中国队月嫂回应掌掴婴儿是在赶虫子19岁小伙救下5人后溺亡 多方发声清明节放假3天调休1天张家界的山上“长”满了韩国人?开封王婆为何火了主播靠辱骂母亲走红被批捕封号代拍被何赛飞拿着魔杖追着打阿根廷将发行1万与2万面值的纸币库克现身上海为江西彩礼“减负”的“试婚人”因自嘲式简历走红的教授更新简介殡仪馆花卉高于市场价3倍还重复用网友称在豆瓣酱里吃出老鼠头315晚会后胖东来又人满为患了网友建议重庆地铁不准乘客携带菜筐特朗普谈“凯特王妃P图照”罗斯否认插足凯特王妃婚姻青海通报栏杆断裂小学生跌落住进ICU恒大被罚41.75亿到底怎么缴湖南一县政协主席疑涉刑案被控制茶百道就改标签日期致歉王树国3次鞠躬告别西交大师生张立群任西安交通大学校长杨倩无缘巴黎奥运