碳基-金属氧化物和硫化物复合材料在高性能锂离子和钠离子电池负极中的设计策略

锂离子电池由于其高容量、高工作电压、长循环寿命等优点被广泛应用在便携式电子设备和电动汽车等领域。为了满足日益增长的储能要求,开发具有更高能量密度、功率密度、长续航能力的下一代锂离子电池显得至关重要。此外,在大规模储能方面,钠离子电池因其价格便宜和储量丰富等优点在近年来受到了人们的广泛关注。研发合适的电极材料是发展高性能锂离子电池和钠离子电池的关键所在。就负极材料而言,商品化锂离子电池的负极为石墨,其理论容量较低。为了发展高性能的电池负极材料,具有高理论容量的金属氧化物和金属硫化物得到了广大研究者的青睐。但是,这类材料普遍存在着导电性差以及充放电过程中体积变化大等问题,导致其在循环过程中发生团聚、粉碎等问题,从而破坏电极结构,引起容量快速衰减。为了解决这些问题,将金属氧化物和硫化物与碳材料进行复合被视为是最有效的一种策略。所合成的碳基-金属氧化物和硫化物复合材料不但表现出高的导电性,还可以有效缓冲体积变化,从而提高其循环稳定性和倍率性能。这些复合材料可作为极具发展前景的高性能锂离子和钠离子电池负极材料,尤其是对那些质量比容量要求较高的电池具有重要意义。

AENM-xuzhichuan

通过对近几年碳基-金属氧化物和硫化物复合材料相关工作的分析,新加坡南洋理工大学徐梽川课题组系统总结了碳基复合材料在锂离子电池和钠离子电池领域的研究进展和结构演变,并重点讨论不同的结构设计策略对电化学性能的影响。通过分析单一碳材料(包括碳纳米管,碳包覆,多孔碳,碳纤维,石墨烯等)为载体复合材料的电化学性能,总结出高性能碳基复合材料的构筑主要取决于碳载体类型、金属氧化物和硫化物的性质以及两者的组合方式。文章指出,碳材料的种类、形貌、导电性、缺陷、孔隙、以及化学掺杂等特性会影响复合材料的电化学性能。通过进一步调控金属氧化物和金属硫化物的形貌、成分、颗粒大小、结晶度和孔结构等因素,可以有效提高复合材料的循环寿命和倍率性能。同时,碳材料和金属氧、硫化物的空间组合、成分分布、界面作用以及三维排列方式等也对复合材料的电池性能产生重大的影响。此外,针对单一碳材料的局限性,本文还总结了不同的复合碳材料在提高导电性、抑制颗粒团聚和保持结构稳定等方面所起的作用,从而进一步提升金属氧、硫化物的电化学性能。最后,作者指出应该进一步探究复合材料的结构与电化学性能之间的构筑关系,从而指导并优化高性能电极材料的结构调控,促进碳基-金属氧化物和硫化物复合材料在能量存储方面的应用。相关综述文章发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201601424)上。

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