Small Science:二维材料在电化学储能器件中的原位动态表征研究进展

现代社会对能源转换与存储的迫切需求推动了超级电容器和电池等储能器件的发展。获得高性能电化学储能器件的先决条件是发展先进的电极材料,以及深入理解基础电化学过程与反应机理。二维材料,例如石墨烯、过渡金属碳/氮化物(MXene)和过渡金属硫属化合物(TMDs)等,由于其独特的物理化学性质,在储能领域展现出特殊的应用前景。另一方面对储能器件在工况工作条件下进行原位动态表征,揭示界面过程、反应机理及失活机制,有助于解决储能器件中面临的关键科学问题,进而发展高电化学性能储能器件。

图1. 二维材料在电化学能源器件中的应用及其原位动态表征。

最近,中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员、傅强研究员和德国马普高分子研究所Klaus Müllen教授团队合作综述了二维模型材料在电化学储能器件中的原位动态表征最新进展,详细介绍了如何借助原位动态表征技术来深度理解基础电化学机理和反应过程。该论文首先总结了二维材料的两种典型制备方法,“自上而下”和“自下而上”,并比较了不同制备方法的优劣;随后讨论了二维材料,如石墨烯、MXene、TMDs在超级电容器和锂电池中的应用进展,阐述了不同二维材料与器件性能之间的构效关系。在此基础上,作者讨论了超级电容器和锂电池中复杂的反应机理,阐述了电极材料、电极-电解液界面、电解液的组分对反应机理、性能和稳定性的影响。然后,重点介绍了利用二维材料构建储能器件模型结构以及其原位电化学表征技术(包括原位XRD、XPS、XAS、Raman、IR、NMR、OM、AFM、SEM、TEM),以此揭示从不同角度来理解电化学反应过程和机理。最后,讨论了二维材料的可控制备、原位表征技术的创新开发、不同原位表征技术的联用,以及原位动态表征技术与理论模拟的结合等方面面临的主要挑战和未来机遇。

该综述论文有助于读者了解二维材料在电化学储能器件的应用进展,如何利用二维材料来构建基础电化学模型器件及其原位动态表征的重要作用,并了解该领域面临的挑战和亟待解决的关键问题,为深刻理解储能机制并进一步开发优化高性能器件提供借鉴。相关论文“In situ and Operando Characterizations of 2D Materials in Electrochemical Energy Storage Devices”发表在Small Science (DOI: 10.1002/smsc.202000076)上。