Advanced Functional Materials:钒基纳米材料在新型金属离子电池中的应用综述

新型金属离子电池包括钠/钾/镁/钙/锌/铝离子电池,这些电池体系的电化学机理与传统的锂离子电池类似,但采用更为丰富的单价(Na+、K+)或多价(Mg2+、Ca2+、Zn2+、Al3+)金属离子取代稀缺的Li+离子作为载流子,因此作为下一代电化学储能器件具有巨大潜力。研发高性能电极材料是新型金属离子电池走向商业化的核心与挑战,近年来也受到了广泛研究,其中,钒系纳米材料受到了尤其多的关注。由于钒的价态丰富,钒氧多面体结构多变,因此钒系家族可形成许多种不同成分、结构和性质的材料,为新型金属离子电池的发展提供了重要机遇。近年来,有关钒系纳米材料在各种新型金属离子电池中的研究层出不穷,各种新材料、新机制及优异电化学性能不断被报道。

近日,武汉理工大学麦立强教授课题组基于近期工作和已有文献报道,在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Vanadium-Based Nanomaterials: A Promising Family for Emerging Metal-Ion Batteries”的综述论文(DOI: 10.1002/adfm.201904398),系统总结了钒系纳米材料家族在新型金属离子电池中的应用。文章首先概述了钒系材料家族具有成员众多,结构、性质各异的特点,而这恰恰为新型金属离子电池的发展提供了机遇。随后,作者基于结构和性质的特点,将钒系材料进行了分类,分为钒氧化物、钒酸盐、磷酸钒盐及无氧钒基化合物,并对每一类的特点进行了简单阐述。根据该分类,作者随后结合例子详细讨论了不同钒系纳米材料在新型金属离子电池中的电化学性能、储能机理及优化策略等,对代表性的工作进行了重点介绍。最后,作者对这一领域的发展现状和未来发展方向进行了总结和展望:

1)钒氧化物和钒酸盐具有适中的电化学电位,非常适合应用于水系锌离子电池,近年来V2O5、VO2、LiV3O8等多种材料已被报道具有非常优异的储锌性能。然而,钒系材料在水系电解液中的溶解是不可忽略的关键问题之一,通过电解液的优化、电极材料的修饰等策略解决钒溶解的问题,以及进一步揭示溶解的具体机制和影响因素是未来的重要目标。此外,在锌离子电池运行过程中,电极材料结构的演化、水分子的具体作用(如水分子的共嵌入效应、水分子的电荷屏蔽作用)及电极与电解液之间的匹配关系都有待进一步阐明。

2)磷酸钒盐如Na3V2(PO4)3和Na3(VO)2(PO4)2F作为高电压正极材料应用于钠离子电池具有非常大的商业化潜力,它们具有高的电压、优异的结构可逆性、良好的热稳定性、合适的比容量和高的离子扩散系数,作为正极材料综合性质十分优异。虽然电子电导率较低,但大量的工作已经证明,通过简单的导电物复合即可提升其导电性从而实现超高的循环和倍率性能。为了实现大规模商业化应用,在优异电化学性能和大规模制备这两点上找到一个平衡点,即发展简单的生成工艺实现高产量、低成本和有效导电物修饰,是未来工作中的重要方向,而这也需要学术界和产业界的共同努力。

3)钒系材料在非水系多价金属离子电池,如镁离子电池、钙离子电池和铝离子电池中的应用也是重要发展方向之一,然而目前受限于电解液的不成熟,相关工作并不多。考虑到钒系材料家族具有许多不同结构、成分和性质的材料,这为寻找合适电极材料提供了可能,因此钒系材料在非水系多价金属离子电池中的应用在未来有望出现更为激动人心的结果。

4)是否采用纳米材料作为电池的电极材料一直存在争论,因为在目前的电池体系中应用纳米材料会不可避免的面临能量密度与功率密度之间难以兼顾的矛盾。然而作者认为,从长远来看纳米材料将会是电极材料的最终发展方向,尤其是对于以尺寸更大(Na+、K+)或多价态(Mg2+、Ca2+、Zn2+、Al3+)的离子为载流子的新型金属离子电池。在未来,发展三维电极取代现在的二维电极是解决能量密度与功率密度难以兼顾的重要途径与方向。

5)进一步探索新型钒系电极材料仍然十分有必要,未开发的领域意味着新的希望。