Small:多级纳米结构的设计对锂离子电池阳极材料–硫族钴/磷化钴/钴酸盐锂化环境的改善

为了有效地将风能、太阳能和潮汐能等可再生清洁能源产生的能量加以储存并稳定持续的供给,亟需一种高能量密度,长循环寿命和环境友好型的能源转换及储存设备。 1991年索尼公司推出了第一个商用的锂离子电池,一经问世就引起了人们对锂离子电池的研究热潮,多种适用于锂离子电池的阳极材料被迅速的挖掘出来。硫族钴/磷化钴/钴酸盐作为一类基于转化机制的阳极材料,不同于基于插层机制和合金化机制的阳极材料,在反应逆过程中可以再生原始的结构和组成,这有利于提高锂离子电池在循环过程中的稳定性,作为一个锂离子电池电极材料普遍存在的问题,这些材料在实际应用中也面临着体积膨胀引起的许多科学、技术难题。

近年来,研究者们通过设计各种多级纳米结构来改善硫族钴/磷化钴/钴酸盐在锂化过程中存在的体积膨胀现象。相较于实心结构,核壳结构和多层中空结构等多级纳米结构可以提供更大的反应比表面积,缩短锂离子的扩散途径,并适应锂化过程中的体积膨胀,其中多层中空结构甚至可以通过调整合成工艺实现不同组分在不同层中分布。

上海大学李文献/李瑛教授课题组总结了近期通过设计分级纳米结构来改善硫族钴/磷化钴/钴酸盐阳极材料锂化环境的工作。首先,作者通过将基于转化机制的阳极材料与基于插层机制和合金化机制的阳极材料的比较,阐明了基于转化机制的阳极材料在锂化过程中的优势、问题及目前已有的改善锂化环境策略;然后,介绍了具有分级纳米结构的硫族钴/硫代钴/钴酸盐的合成方法,结构特征以及结构对电化学性能的影响;最后,强调了锂离子电池阳极材料目前的研究挑战和可能的发展方向。相关论文在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201903418)上。