AM综述:异质结构材料的储能应用

为应对能源清洁化、新能源电力系统与电气化交通产业转型发展的迫切需求,发展先进储能技术成为世界各国关注的焦点和研究热点。为探索高性能电极的选材原则、储能机理和设计策略,众多的新材料包括碳材料、TMDs、MXene等被探索其在不同储能器件中的应用潜力。然而,单一组分材料往往难以同时满足能量密度、功率和循环寿命的应用要求。近年来,异质结构材料以其优异的电子输运性质、丰富的活性位点、良好的催化活性等,在电化学储能领域引起了广泛关注。其优异的性质来源于优势互补的协同效应及异质界面处的电子重构现象等。当两相材料接触时,由于费米能级、主要载流子类型和浓度的差异,异质界面附近的载流子将自发地跨界面转移,调整界面附近材料的电子/离子状态,进而影响电极材料的储能性能。深入理解异质结构材料的储能机制、合理选材和设计实现协同作用的最大化,有望突破目前高性能电极材料研发的技术瓶颈,推动储能技术的快速发展。

近日,哈尔滨理工大学陈明华教授课题组以异质结构材料基础物理特性入手,从储能机制、合成方法和设计策略的角度,系统综述了异质结构材料在电化学储能领域的最新研究进展及发展趋势。文章重点讨论了异质界面电子结构、内建电场、氧化还原反应可逆能力对异质结构材料储能行为和性能的影响。界面处自发的电子转移可影响两相材料的化学吸附能力和电化学反应活性,协同增强电极材料的储能容量。同时,由电子转移产生的电势差可在界面处建立内电场,促进载流子在界面处转移,提高电极材料的功率特性。需要指出,尽管异质结构材料已在碱金属离子电池、超级电容器等领域得到广泛研究,但现有工作往往仅基于异质结的基本特性对异质结构材料的储能机理和优化机制进行定性分析。实际上,异质界面的纳米结构和电子结构与电子自发转移能力、调控范围和输运特性紧密相连,而至今尚没有定量分析和设计异质结构材料的研究工作,且缺少能准确描述异质结构材料储能过程的理论模型。结合以往半导体物理领域异质结构材料物理特性的研究进展,未来储能用异质结构材料还存在巨大的研究空间,深入探索界面特性对储能机制的影响规律对于高性能电极材料研发具有重要意义。

图1 储能用异质结构材料的优势及应用
图2 异质结构材料储能机制

论文信息:

Emerging of Heterostructure Materials in Energy Storage: A Review

Yu Li,† Jiawei Zhang,† Qingguo Chen, Xinhui Xia, Minghua Chen,*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202100855

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202100855