Advanced Energy Materials:基于阳离子空位精准调控实现电极材料电化学储能性能提升:合成、先进表征与机制探讨

为了满足日益增长的能源需求,以过渡金属氧化物/碳化物为代表的电化学储能器件得到了广泛关注。目前,常用于提升电极材料储能性能的途径主要包括纳米材料的制备,或与导电材料的复合。但这两种方式均属“外在”途径,在实际应用中存在天花板效应。近年来,一种“内在”方式,即通过在电极材料晶格中引入点缺陷(主要包括阳离子空位,阴离子空位)来提升其电化学储能性能,得到越来越多的关注。目前人们对阴离子空位的形成及其对储能性能的影响已开展了较深入的研究,但关于阳离子空位的形成机制及其与储能性能的关系却知之甚少。因此,通过调节过渡金属氧化物/碳化物的电子/微观/相结构,来实现对其阳离子空位的精准调控,无疑为进一步提升电极材料电化学储能特性提供了新思路和新方法。

近日,湖南大学刘继磊教授团队与德国赫姆霍兹研究所Stefano Passerini教授合作,在Advanced Energy Materials杂志上发表了题为“The Role of Cation Vacancies in Electrode Materials for Enhanced Electrochemical Energy Storage: Synthesis, Advanced Characterization, and Fundamentals”的综述论文(DOI: 10.1002/aenm.201903780),该综述系统介绍并详细评论了基于调控阳离子空位提升过渡金属氧化物/碳化物电极材料储能性能的最新研究进展。

首先从引入阳离子空位的主要途径出发(如异价阳(阴)离子掺杂、酸处理、选择性酸(碱)刻蚀、热处理以及等离子体刻蚀等),结合丰富的先进表征方法(基于同步辐射光源的XAFS和X-ray Scattering and PDF Analysis,高分辨透射电子显微镜,以及常规表征方法如ICP-AES、Raman、FTIR、PL、EPR、XRF和PAS等)和理论计算模拟,深入探讨并系统总结了阳离子空位的形成机理及其对过渡金属氧化物/碳化物电化学特性的影响机制。具体体现在(1)改变电子结构,提升电极材料的导电性和电荷转移能力;(2)降低电解质离子在电极材料中的扩散势垒,促进其在充放电过程中的可逆碱金属离子嵌/脱行为;(3)提供额外活性吸附位点,增大可逆容量;(4)调控充放电过程,改变反应机制。

该工作阐述了阳离子空位调控电化学特性的作用机制,明确了先进原位表征技术对探索储能过程和机理的必要性,并展望了基于阳离子空位储能未来的研究方向和发展趋势。主要包含以下四个方面:(1)基于先进(原位)表征手段,精准捕捉阳离子空位在电极材料中的整体分布特性及实现对其含量的精确测定;(2)基于原位光谱测试技术和理论计算,从微观/相/电子结构变化角度进一步阐明阳离子空位对储能特性的影响机制,构建更为清晰的阳离子空位与储能性能关系;(3)探索含阳离子空位电极材料在极端工作条件下的稳定性;(4)在以上深入理解机理的基础上,基于阳离子空位的可控设计,进一步提升电极材料的电化学特性。

湖南大学高鹏助理教授为论文的第一作者,德国赫姆霍兹研究所的陈桢博士为该论文的共同第一作者,湖南大学刘继磊教授为通讯作者。上述研究得到了中国国家自然科学基金、国家“青年千人计划”项目、湖湘高层次人才项目、以及中央高校基本科研基金的资助。