Small:钠/钾离子电池用合金基负极材料的研究进展

近些年来,锂资源快速消耗和储能市场需求的快速增长促进了钠/钾离子电池的进一步发展。钠/钾离子电池具有低价、储量丰富及其与锂离子电池相似的反应机理的优势使其在下一代大规模储能设备中大有所为。然而,钠和钾更大的离子半径和摩尔质量导致了缓慢的离子扩散动力学和有限的循环寿命。钠/钾离子电池商业化的挑战之一是去探索具有高容量,长循环稳定性,合适的电压平台和高安全性的更有希望的负极材料。其中,合金基材料因其合适的电压平台,高理论比容量(基于多电子反应)和较高的电导率,使其具有优秀的电化学性能,是很有发展潜力的负极材料,主要包括Sn, Sb, P, Ge, Si, Bi及其氧化物、硫化物、硒化物和磷化物等材料。

近期,郑州大学陈卫华教授和澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授等系统评述了合金基负极材料在钠/钾离子电池的最新进展。该论文总结了特定结构合金基负极的设计构筑、合成方法、结构特征和电化学性能,并讨论了其构效关系、界面稳定性和储能机理;论述了不同电极材料的主要优、缺点及其从实际出发的发展可能性。目前,随着研究的不断深入,合金基负极的电化学性能被显著提高;同时,通过先进的表征手段,更深层的构效关系和反应机理被不断剖析;主要的研究已经逐渐从优化结构设计改善体积变化和提高电导率逐渐转移到如何提升界面稳定性和反应可逆性等方面。接下来的研究可能主要从以下几个方面进行:

(1)电极/溶液界面:针对不同的合金基负极材料和电解液体系从一系列不同的角度研究其界面稳定性,包括组分、厚度、应力变化、均一性及其演变过程等;

(2)反应可逆性:提高电极材料的反应可逆性,涉及研究非均相的离子扩散、相分离和颗粒粗化等问题的研究;

(3)复合材料的构效关系:合金化和特殊形态的异质结构对电化学性能的影响关系;

(4)精准合成:包括构筑多级结构,原子/分子级结构优化等;

(5)安全性:与温度特性和阻燃电解液等相关的材料结构设计等。

最后,相信随着合金基负极的一系列科学问题的突破,钠离子电池和钾离子电池的商业化步伐会更进一步。

相关论文以Recent Progress on the Alloy‐Based Anode for Sodium‐Ion Batteries and Potassium‐Ion Batteries.为题发表在Small上。