Small Structures:金属-碲电池:新兴的储能系统

得益于锂硫和锂硒电池的广泛研究,硫族元素(VIA)尤其是硫和硒受到了较多关注。硫和硒与其他元素相比具有较高的氧化还原电势和超高的理论容量。但是目前锂硫和锂硒电池的商业化仍然受阻,主要是因为硫和硒的导电性差,放电过程中电极体积膨胀严重以及放电中间产物存在严重的“穿梭效应”。基于此,同为硫族元素的碲由于其具优于硫和硒的导电性以及较高的体积能量密度,因此在体积能量密度上显示出了巨大的优势。自2014年以来,累计发表几十篇有关金属-碲电池的文章,学术界对其的研究热情越发高涨。然而,由于其起步时间晚以及质量比容量不及硫的事实,金属-碲电池仍没有引起足够的重视,尤其是还没有任何综述详尽地总结其目前的研究进展。

有鉴于此,香港城市大学支春义团队对金属-碲电池的发展进行了详细梳理,总结了碲正极,碲负极以及相关电解液和隔膜的研究进展,并对碲的安全性及未来的可行发展方向进行了探讨。相关结果发表在Small Structures(DOI: 10.1002/sstr.202000005)上。

作者首先对碱金属-碲电池(Li,Na,K)进行了总结,它的反应机理和金属-硫电池类似,碲经历多碲化物的生成最终转化为对应的金属碲化物。因此碱金属-碲电池也存在电极体积膨胀以及“穿梭效应”的问题,目前的研究主要还是通过多种策略限制其电极膨胀以及中间产物溶解,通常是采用各式碳材料进行包覆。随后作者总结了铝-碲电池,由于其使用的离子液体电解液,其反应机理和碱金属-碲电池不一样,最终发生六电子转移,因此具备高达1275 mAh g-1的理论容量。这也是目前唯一的多价金属-碲电池,显示出了巨大的应用潜力。随后作者总结了碲作为负极的研究,由于碲较高的氧化还原电位,因此其还可以用作电池负极,可以有效地解决常见碱金属负极的枝晶、钝化等问题。同时考虑到碲的稳定性以及高的体积比容量,其作为负极确实具备非常高的应用潜力。进一步地,作者也总结了碲电池体系中的电解液及隔膜研究,并探讨了碲的毒性和安全性。最后,作者对碲基电池的未来发展提出了一些非常具有吸引力的研究方向,包括:水系碲电池,碲负极的深入研究以及发展匹配更多的金属负极。