“多变且高能”的钒氧化物在储能领域中的应用:从低维纳米结构到三维(3D)微-纳结构和自支撑电极

开发绿色、环保、清洁的新能源及以此为基的新的能源结构已经成为21世纪备受瞩目的焦点与热点,而在此新源结构中储能则扮演着至关重要的角色。在各种储能技术中,锂离子电池(Li-ion battery, LIBs)和钠离子电池(Na-ion battery, NIBs)被认为是两种极具潜力的储能技术,其中LIBs由于具有能量密度高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优点,已被广泛应用于各种便携式电子设备中,更被认为是近年来迅速崛起的电动汽车储能系统的最佳解决方案。而NIBs则由于资源广泛、成本低廉等优势,在大规模储能领域中具有极大的前景。然而,随着这些新应用的快速发展,它们也对LIBs和NIBs提出了更高的要求,如更高的能量和功率密度、更长的循环寿命、更低的成本等,而开发更为先进的电极材料则是实现上述目标最为关键的环节。作为一种典型的层状晶体结构材料,钒氧化物由于具有放电比容量大、能量密度高、储量丰富、成本低廉等优势,被认为是一种非常具有竞争力的下一代先进储能材料。钒氧化物可被分为氧化钒(如V2O5, V6O13, V3O7·H2O, VO2 (B), V2O3等)和钒酸盐(如Li3VO4, NaVO2, NaV2O5等),并且已被广泛应用于LIBs和NIBs中。

纳米材料具有比表面积大、离子传输路径短等优势,各种低维纳米结构电极材料(如纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米片等)已经被成功合成,并展现出了显著提高的比容量和倍率性能。但是,最近研究发现低维纳米材料由于具有高表面能和高活性,会容易在循环过程中发生自团聚,从而失去纳米材料的优势,并会导致电极膜粉化,最终影响循环稳定性和倍率性能。因此,如何同时保留纳米材料的优势并克服它的不足是一项巨大的挑战。

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近日,刘鹏程博士(广州大学机电学院&南航材料学院)和朱孔军教授(南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室)以从低维纳米结构合成到3D微-纳结构及自支撑电极加工的独特角度,系统地综述了钒氧化物在LIBs和NIBs等应用中的研究进展、所面临的问题和未来发展趋势。构建3D微-纳结构电极材料和自支撑电极被认为是非常有效的解决低维纳米材料自团聚问题的途径,并且已在一些电极材料中得到了很好的应用,也已经成为当前储能应用中的一个研究热点。微-纳结构是指小的纳米尺度结构单元通过有序组装构成的新的微米尺度二次结构,它不但可使纳米材料的优势得以保留,更由于协同效应同时具有了微米材料的优势,从而微-纳结构不但具有更大的比表面积和结构稳定性,更可以有效避免低维纳米材料的自团聚、提高振实密度。制备自支撑电极(利用或不利用基底)也是一种非常有效的避免低维纳米材料自团聚的方法,并且由于不必再外加粘结剂、导电剂、集流体等惰性物质,从而可以显著提高电化学性能(如能量密度)。同时,基于自支撑电极的储能系统也是发展柔性、可穿戴器件和设备的关键。

此外,他们提出了一种简单、有效的策略以实现全体系钒氧化物3D微-纳结构的可控制备。更为重要的是,他们还提出了一种实现氧化钒正极材料实际商业化应用的解决方法,即构筑“氧化钒基正极/固体电解质/锂金属负极”型全固态二次离子电池。他们的工作为钒氧化物在储能应用中的研究提供了深刻的思考和新的研究方向,有助于加速其在基础研究和实际应用中的进一步发展。

该成果发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700547)上,并被“Advanced Science News”以视频摘要(video abstract)的形式 (视频网址https://youtu.be/rPtvj0N0iPk)进行了highlight,还收到了AEM封面highlight的邀请。刘鹏程博士为论文第一作者,刘鹏程博士和朱孔军教授为共同通讯作者。