Advanced Energy Materials:杂原子掺杂策略提升钠离子存储的研究进展

杂原子掺杂的发展历程示意图

钠离子电池因其原材料丰富且成本较低,被广泛认为在未来可再生能源储能系统中具有巨大应用潜力。近年来,有关钠离子电池电极材料及其储能机理已被广泛研究,但其能量密度和循环寿命等依然无法与锂离子电池媲美。针对新型正负极材料的改性策略及相关机制,成为目前研究的热点与难点。研究发现,杂原子掺杂(包括非金属掺杂和金属离子掺杂)能够有效地调整本征材料的载流子/离子迁移、吸附能力、反应活性、结构稳定性等基本特性,并且不同类型的杂原子掺杂作用机制也不尽相同,结合不同杂原子掺杂的优势及协同效应,杂原子掺杂策略有望帮助钠离子电池突破现有的技术瓶颈,推动其在大规模电力存储领域的实际应用。

近期,哈尔滨理工大学陈明华教授和浙江大学夏新辉研究员团队在Advanced Energy Materials上发表了题为“Heteroatom Doping: An Effective Way to Boost Sodium Ion Storage”的综述论文(DOI: 10.1002/aenm.202000927),系统全面地概述了杂原子掺杂的合成方法、改性机理及对储钠能力影响的最新进展。分别详细地阐述了非金属掺杂(氮、硫、磷、硼掺杂等,双掺杂,三掺杂)和金属离子掺杂(镁、钛、铝、铁、镍离子掺杂等)对钠离子电池正、负极材料在基础性质(电子分布、分子构型、晶格结构等)和综合特性(导电性、储钠容量、扩散势垒、吸附能力等)的影响,介绍了不同种杂原子掺杂的优势和问题以及多元素掺杂中协同效应机制的最新研究进展。作者指出,尽管已有不少关于杂原子掺杂的相关报道,但低成本、高度可控的杂原子掺杂方法仍未实现。同时,在机理方面,每种杂原子掺杂在掺杂位置、构型、浓度及其功能等方面仍需要进行更深层次地探讨。多元素掺杂的协同机制还处在初始阶段,需要更多更细致地研究来分析不同杂原子之间的相互作用机制及其对宏观性能的影响。最后,文章展望了未来杂原子掺杂技术的研究方向,并结合电解液、新型隔膜等方面的最新研究成果指出了未来钠离子电池在储能领域将要面对的机遇和挑战。哈尔滨理工大学硕士研究生李誉为论文的第一作者。