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天津理工大学丁轶课题组最新EER综述:脱合金纳米多孔材料在锂电池中的研究现状及展望

已有 465 次阅读 2020-11-30 13:41 |系统分类:科研笔记


Electrochemical Energy Reviews (《电化学能源评论》,简称EER),该期刊旨在及时反映国际电化学能源转换与存储领域一般综述栏目。EER是国际上第一本专注电化学能源的英文综述性期刊。EER覆盖化学能源转换与存储所有学科,包括燃料电池、锂电池、金属-空气电池、超级电容器、制氢-储氢、CO2转换等。EER为季刊,每年3月、6月、9月以及12月出版。创刊号在2018年3月正式出版。

2018年6月,经过激烈角逐(87选20),EER成功入选由中国科协、财政部、教育部、国家新闻出版署、中国科学院、中国工程院等六部门联合实施的中国科技期刊国际影响力提升计划D类项目,进入新刊国家队阵列。

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近日,天津理工大学丁轶教授课题组在Electrochemical Energy Reviews期刊发表了题为“Dealloyed nanoporous materials for rechargeable lithium batteries”的综述论文,系统论述了脱合金制备的纳米多孔材料在锂电池中的研究现状和发展方向。

全文链接:

https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-020-00070-7 

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文章题目:Dealloyed nanoporous materials for rechargeable lithium batteries

作者:Xuan Wu, Guang He, Yi Ding *

关键词:Dealloying; Lithium batteries; Nanoporous; Rechargeable; Electrodes

引用信息: Wu, X., He, G. & Ding, Y. Dealloyed nanoporous materials for rechargeable lithium batteries. Electrochem. Energ. Rev.3, 541–580 (2020). https://doi.org/10.1007/s41918-020-00070-7


综述亮点

1. 系统总结了纳米多孔材料在锂电池中的设计与制备思路,讨论了脱合金过程中的结构演变及其对电池性能的影响;

2. 从成分优化和微观调控出发,详细归纳了纳米多孔材料作为活性负极或支撑载体在锂离子电池体系中的优势及目前存在的关键科学问题;

3. 系统总结了纳米多孔材料在锂电池中的设计与制备思路,讨论了脱合金过程中的结构演变及其对电池性能的影响;


前言

随着电子便携设备及纯电动汽车的快速发展,开发高效安全的电化学储能体系尤为关键,具有高容量的合金或锂金属负极有望很好的满足这一需求。

脱合金材料具有独特的双连续纳米多孔结构,可以有效促进离子电子的快速传输并缓解循环过程中的体积膨胀,已被学术界大量应用于锂离子电池(活性材料/支撑基底)和锂金属电池(锂空/锂硫/锂负极保护)。

总结脱合金材料在锂电池中的研究进展,尤其是分析纳米多孔材料的合成思路、演变过程以及相关的储能机理有助于该类材料的进一步发展并实现规模化应用。


内容简介

如图1所示,本文系统总结了脱合金制备的纳米多孔材料在锂电池中的应用。作者首先介绍了脱合金的技术原理、典型的制备方法以及相关的成分结构调控手段;然后详述了一系列脱合金材料(金属/氧化物/石墨烯)在锂离子电池中的应用,包括直接用做活性材料或者和间接作为支撑基底,重点突出了双连续纳米多孔在抑制体积膨胀上的结构优势。

接着进一步归纳了它们在锂金属电池(锂空/锂硫/锂负极保护)中的最新研究进展,深入分析了潜在的结构性能相关性;最后,作者系统评述了脱合金制备的纳米多孔材料在锂电池上的应用优势以及挑战,并对未来的发展趋势进行了展望。

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Fig. 1  脱合金纳米多孔材料在锂电池中的应用


1丨制备与微观调


脱合金过程主要基于前驱体组分标准电化学电位的差异,将体系中相对活泼的元素选择性去除,而剩余的金属原子相互连接,得到具有双连续孔道/韧带的纳米多孔结构。

脱合金材料具有丰富的结构和功能特性,合理的选用制备工艺对最终锂电池的性能有重要影响。当前主流的脱合金技术包括以下四种:化学脱合金、电化学脱合金、蒸发脱合金以及液态金属脱合金。

为获得理想形貌,往往需要对前驱体成分以及相关脱合金参数(溶液种类、溶液浓度、腐蚀温度、腐蚀时间等)进行优化。除此以外,为进一步促进脱合金材料在锂离子电池中的应用,也经常需要一系列的后续改性处理,如退火热处理、碳基复合和活性材料电化学沉积。在实际应用中,必须综合考虑上述影响因素才能获得理想的形貌、结构与电化学性能。


2丨在锂离子电池中的应用


在锂离子电池中,相比于商业化石墨,合金负极具有更高的理论容量,但循环过程中剧烈的体积膨胀往往导致电极结构粉化,造成容量的快速衰减。纳米多孔材料丰富的孔洞能有效缓解这一问题,其独特的双连续结构还可以促进离子和电子的快速输运,改善电池整体性能。对于电化学活性元素,此类材料可以直接用作活性电极,如纳米多孔硅/锗/锡/氧化物/硫化物等。

如图2所示,相比于块状锡颗粒严重的面积和体积膨胀,脱合金制备的锡电极由于其内部丰富的孔道结构可以显著减小的体积变化,在充电结束后还可以恢复到原来的状态。对于惰性纳米多孔材料(纳米多孔金/铜/镍等),它们也可以作为一个导电基底去沉积一系列高容量活性材料。最终所得复合物电极也能够展现出色的循环稳定性。

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Fig. 2  体相锡与纳米多孔锡的体积变化及其相应的电化学性能


3丨在锂金属电池中的应用


具有高理论比容量和低电化学势的金属锂负极,近年来引起了人们的重视,尤其适用于与新型空气或者硫正极匹配组装成全电池,是理想的新一代高能量密度电极材料。金属锂在循环过程中同样存在剧烈的体积效应,影响SEI膜的稳定性,带来性能和安全隐患。纳米多孔材料除了可以有效缓解循环过程中的电极体积膨胀,还具有其他特殊的结构和功能特性。如在锂空电池中,纳米多孔金/钛/镍/石墨烯可以作为导电载体负载其他高催化活性材料,改善放电产物的电子传输问题;

在锂硫电池中,对其孔结构和组分进行调控能效抑制多硫化物的“穿梭效应”,在正极中通过物理与化学方式固定溶解在电解液中的多硫离子;在备受关注的金属负极保护领域,如图3所示,一系列不同脱合金方法(化学/电化学/液态金属脱合金)制备的纳米多孔铜作为三维集流体可以很好地抑制枝晶生长,展现了出色的循环稳定性。

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Fig. 3  脱合金制备的纳米多孔铜用于锂负极保护


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Fig. 4  不同的制造NPSI电极的方法


总结与展望

脱合金材料具有独特的双连续纳米多孔结构,目前在锂电池多个前沿热点领域得到广泛应用。对于未来的发展,除了开发更多新型的脱合金技术外,还需要合理调控脱合金参数来制备大尺度可调控的合金块材如薄膜电极,进一步适应快速发展的电化学储能技术。


作者简介:

吴璇:天津理工大学与澳门科技大学联合培养博士生,主要研究方向:新型纳米结构材料的研究及其在碱金属电池中应用。


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何广:教授、博士生导师,在高水平学术期刊发表论文30余篇,被引用3000余次。

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轶:教授、博士生导师,国家杰出青年基金获得者,入选国家万人计划科技创新领军人才、国家百千万人才工程等。

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