基于2D纳米材料构建的分层级结构在可逆锂电池领域的应用

随着世界环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧,新时代下能源转型势在必行。“大力发展可再生绿色能源”这一主题积极地推动了可逆锂电池的迅速崛起。与传统的铅酸,镍镉和镍氢电池体系相比,锂电池表现出了更高的能量密度、更长的循环寿命、更高的输出电压、更低的自放电率及更高的安全性和适应性等优点,因而被人们称为“21世纪最有前途的化学电源”。然而,锂电池的发展受限于其有限的理论比容量和结构稳定性,很难满足当前高性能电子设备的能量需求。为此,设计和构建高能量密度和高功率密度且同时具有多功能结构的电池材料显得尤为重要。

二维材料(如石墨烯及其衍生物,过渡金属氧化物和过渡金属硫化物)因其具有高的比表面积,良好的离子/电子传输性及种类多样性等优势在能源存储设备中的应用得到了广泛的关注。然而,在电级构建过程中,片层结构易堆叠和团聚的问题极大的阻碍了其在可逆的锂电池中进一步发展。近年来,基于二维材料构建的分层级结构不仅能够保持2D纳米材料的独特结构优势,还具有更大的维度,多孔结构、较大的结构空隙及非凡的比表面积,使其在可逆锂电池中表现出极大的应用潜力。

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通过对近几年相关文献的研究和分析,东北师范大学动力电池实验室谢海明教授课题组与清华大学李景虹教授课题组总结了具有分层级结构的石墨烯及其衍生物,过渡金属氧化物和过渡金属硫化物二维材料作为电极材料在锂离子电池,锂硫电池,锂空气电池及水系锂电池中的研究进展。文章重点强调了三种由2D材料构建的分层级结构,即三维多孔网络结构,空心结构以及自支撑的纳米阵列。对于每一类的分层级结构,文章涵盖了其合成机制和方法的研究进展。此外,总结了电极材料所需的分层级结构和形貌特征的关键趋势,并对当前新兴的构建手段进行了进一步的讨论。对于三种分层级结构在可逆的锂电池的应用方面,文章主要讨论分层级结构运用在不同的二维材料的设计原则,在不同电池体系中其独特的结构优势,以及阐明了电化学活性,反应动力学及物理特性等显著提高的机理。综述的最后展望了分层级结构的二维材料在锂电池应用中仍面临的一些挑战及未来发展方向,特别是在构建方法改进、结构优化、新兴2D材料及多化学组分的2D材料分层级结构、片层择优取向、原位表征手段及结合新型电解液体系的应用等方面提出了新的见解,对推动其在未来锂电池中广泛应用具有重大的指导意义。相关文章发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201601906)上,本文的第一作者是东北师范大学化学学院博士研究生丛丽娜。