基于转化反应的储钠的负极材料的研究进展与挑战

用于可再生能源与智能电网等领域的大规模储能装置迫切需求低成本、环境友好、长循环寿命和高安全性的二次电池。室温钠离子电池具有丰富的钠来源和低成本,有望用于大规模储能系统,已经引起了各国科学家和产业界的高度关注。负极材料也是室温钠离子电池的关键材料,因而探索环境友好、性能优越、价格合理新型钠离子电池负极材料是高度需要的。目前,多种高容量的非碳新材料被研究作为负极材料用于钠的存储,其中二元过渡金属化合物(MaXb)近年来获得了广泛研究。与石墨层间储钠机制不同,该类化合物在进行钠的脱嵌时,会发生转化反应(MaXb + (b∙z)Na ↔ aM + bNazX)。基于这一机理,过渡金属化合物(MaXb)可以实现多电子转移,因此具备极高的理论容量,有望成为优异的钠离子电池的负极材料。过渡金属化合物(MaXb)的M和X元素种类多,具有丰富选择,激发了一系列新型高容量负极材料的发现和研究。另外,M也可以是发生合金化反应的主族金属元素(如 Ge、Sn、Sb等),实现转化反应和合金化反应并存,使得金属化合物(MaXb)具有更高的理论容量。

近期,中国科技大学的余彦教授、伍伦贡大学的吴超博士和窦士学教授团队总结分析了当前基于转化反应的储钠的负极材料的最新研究的进展与面临的挑战。该论文首先分类评述介绍了目前二元金属化合物(氧化物、硫化物、硒化物、磷化物、氮化物等)的研究现状以及它们各自的优缺点。其次,这些金属化合物在电化学反应过程中遭遇一系列挑战性问题,这些问题阻碍了其应用发展。因此文章从可逆容量、电压滞后、首次库伦效率、体积变化、循环稳定性等方面重点讨论了基于转化反应的电极材料普遍存在的问题以及探讨这些问题发生的根源。针对这些挑战性的问题,论文进一步总结讨论了克服或者减轻这些问题的方法和途径,包括电极材料的纳米结构设计与表面工程、电解液和添加剂的优化、电极材料新的构象设计以及充放电电压范围的设置等,为后续提高基于转化反应的电极材料的性能提供了指导。该论文发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201703671)上。