Small Methods: 先进二次电池用纳米电极材料的稳定策略

电动交通工具、消费类电子设备以及新能源的广泛应用和迅猛发展促进了先进能源存储系统的不断革新。为满足先进能源存储系统的要求,开发具有高比能量密度、高功率密度以及长循环寿命的先进二次电池成为科学研究的热点。而高性能二次电池技术的发展依赖于先进电极材料的开发及应用。近来,纳米技术在电极材料领域取得成功,高性能纳米电极材料层出不穷,使得二次电池技术有了突飞猛进的发展。纳米技术在电极材料领域成功应用的关键是纳米电极材料稳定策略的使用。纳米电极材料的稳定策略不仅使得纳米电极材料成功克服了普通电极材料晶体结构稳定性差、体积膨胀、电子/离子传输能力差等结构及性质上的缺陷,而且成功弥补了纳米材料自身不稳定界面及低振实密度等缺陷,大幅提高先进二次电池的能量密度及循环寿命。因此,适时总结纳米电极材料的稳定策略与方法对先进二次电池的发展具有重要意义。

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通过对近几年相关研究工作的分析,中国科学院化学研究所的郭玉国研究员课题组系统地总结了纳米电极材料稳定策略应用于先进二次电池领域的最新研究进展,重点归纳了化学组成控制、界面工程、微纳结构三类不同层次的稳定策略在优化设计纳米材料的晶体结构、表界面、微观结构上的应用。在界面工程方面,原位包覆、双重包覆、原子层沉积、外延生长、自修复聚合物包覆等方法能够有效稳定纳米结构电极表界面,提高界面电子/离子传导性能,减少表界面副反应;在化学组成控制方面,浓度梯度调控、掺杂、取代等方法能够有效稳定晶体结构,减少不利相变,提高离子脱嵌的可逆性;构建微纳结构的方法能够提高纳米电极材料的振实密度,减少比表面积及副反应,提高循环寿命。两类或者三类稳定方法的综合使用能够实现纳米电极材料从分子团簇级别到纳米材料表界面再到微观颗粒尺寸的精准调控及整体优化设计,大幅提高纳米电极材料的电化学性能。另外,文章还总结了纳米电极材料稳定策略面临的挑战及未来的发展方向。作者希望通过该文章的视角为先进纳米电极材料的设计构筑提供新思路、新方法,为进一步研发高性能的先进二次电池提供很好的指导与参考。相关文章发表在Small Methods(DOI:10.1002/smtd.201700094)上。

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