InfoMat:各类过渡金属二硫属化物的储锂特性

作为后锂离子储能时代的替代技术,以钾离子电池(PIBs)为代表的钾基能源存储技术在近年来受到了产学研各界的关注。探索电化学性能优异的储钾电极材料是实现高性能PIBs的首要难题。过渡金属二硫属化物(TMDs)以其高的理论比容量、高面内导电率和较小的体积膨胀被认为是极具潜力的钾离子电池负极材料之一。来自澳大利亚伍伦贡大学超导和电子材料研究所郭再萍教授团队的博士生周静雯和刘野在InfoMat上发表了题为“Metal Chalcogenides for Potassium Storage”的综述论文。该文总结了目前TMDs基PIB负极材料的技术难题,概括了相关的材料改性方法,探讨了各类改性TMDs材料的优势及短板,提出了TMDs在其他钾基储能技术上的应用潜力。最后,展望了未来TMDs基储钾材料的发展方向

文章首先介绍了TMDs储钾材料的种类和钾离子存储机理。将TMDs储钾材料分为两类:一类是金属原子不具活性的单转化类TMDs,如MoS2, MoSe2, FeS2, ZnS, CoSe1.5, V5S8等;另一类为金属原子具备K存储能力的共转化/合金化类,如Sb2S3, SnS2, GeSe等。通常情况下,共转化/合金化类TMDs拥有更高的储钾容量,但在电化学过程中其体积变化更大,循环稳定性相对较弱。

其次,作者分析了TMDs材料用于钾离子存储面临的困难,包括多硫(硒)化物穿梭导致的离子扩散通道关闭,体积变化导致的结构失稳,K+扩散和电子传输受限,缓慢的钾化/去钾化动力学过程, SEI膜稳定性等。

针对上述诸多挑战,文章总结了当前TMD基储钾材料的应对策略:

1. 限制放电深度,使得K+嵌入过程处于插层反应阶段;该情况下材料体积膨胀较小,相变可逆度较高,有利于TMDs在循环中保持其结构完整性;但由于未涉及转化反应,材料容量较低。

2. 构建特殊纳米结构及纳米复合物,通过量子限域效应,增强材料的电导及离子导率,促进反应动力学并提升材料自适应体积变化能力,增加材料循环稳定性;但该方法下的材料振实密度、首次库伦效率、SEI膜等问题仍需进一步优化探讨。

3. 利用碳基体作为软物理屏障将TMDs限域在碳纳米相基体内,从而限制TMDs的体积变化以及团聚,同时,碳基体也可提供稳定的TMDs贮藏骨架和高速的电子传输通道,进一步加强TMDs组分的电化学性能,特别是高倍率长时循环能力。然而,碳材料引入导致的首次库伦效率降低问题是限制该方法进一步发展的主要障碍。

4. 设计制备三元合金化新型复合TMDs;利用第三相阳离子或阴离子的掺入,增加内部空位、调整电子结构、优化物化性质,以此增多材料内部离子嵌入位点,促进动力学并缓解体积变化。

文章也综述了TMDs应用的其他钾基能源存储体系,包括钾-硫/硒电池、钾离子电容、钾双离子电池、钾-氧气电池体系等。最后,基于前述介绍作者们提出了TMDs基储钾体系的可能发展方向,随着协同加速研究平台的完善、机理机制推演可视化加深以及新体系构筑等方面的研究进一步深入,钾离子能源存储系统规模实用化将进一步推进。

该工作发表在InfoMat(DOI: 10.1002/inf2.12101)上。

个人或团队简介:

郭再萍,澳大利亚伍伦贡大学杰出教授(Distinguished Professor),兼任ACS Applied Materials & Interfaces 杂志副主编,曾获得澳大利亚伊丽莎白女王基金奖、澳大利亚青年科学家奖、伍伦贡大学Vice-Chancellor’s Research Excellence Award。郭再萍教授在Nat. Common., Sci. Adv., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., PNAS, Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等国际著名期刊发表多篇科研论文,其中if >10超过150篇。论文被引次数超过23,000次,H-index为83 (基于谷歌学术,统计自2020.03.05)。2018, 2019年获得Highly Cited Researcher Award(Clarivate Analytics评选),Peer Review Awards(Top 1% in Field)