Small Structures:多价离子电池嵌入型正极材料的现状和挑战

多价金属离子(Mg2+、Zn2+、Ca2+、Al3+)电池(MMIB)因其高安全性和低成本等特质,成为当前用于大规模储能系统的理想选择之一。正极材料决定了多价金属离子电池的性能,然而多价金属离子由于自身的高荷电态,使得其在电池应用中表现出与单价金属离子不同的反应特性。加之目前多价金属离子储存的机理还不够清晰,它们的发展和实际应用仍面临较大的挑战。

武汉大学曹余良教授和陈重学副教授对应用于多价金属离子电池的嵌入型正极材料进行了全面的阐述和总结,对他们面临的挑战进行了论述,同时重点分析了几类有潜力的正极材料。该综述为多价金属离子电池嵌入型正极材料的设计、制备和改性提供了指导,让读者更清楚地了解此类电极的现状和未来的研究方向。

嵌入型正极在储存高电荷密度的多价离子时工作电压高,且不存在转化型正极的电压滞后现象,因此相比转化型正极更具研究价值。目前用于多价金属离子电池的嵌入型正极材料的发展面临两方面的挑战:较强的静电效应和缓慢的嵌/脱反应动力学。荷电密度高的多价离子在电极材料中迁移能垒较高,在反复嵌入/脱出过程中,会引起较大的结构变化和晶格应变,甚至导致电极结构的坍塌。可靠的MMIB嵌入型正极材料应具有稳定的结构特性、良好的导电性和足够丰富的氧化还原反应活性位点以补偿多次电荷转移。目前的研究主要集中于结构改性和合成工艺的创新,如纳米结构构建、层间调控、多孔结构设计、杂原子掺杂和碳介质包覆等。在本综述中,分别介绍了钒和锰的氧化物及其衍生物、硫属化物、聚阴离子化合物、碳材料、MOF(或 COF)和 MXenes等电极材料,重点关注其结构和嵌脱离子性能之间的关系,并讨论了多价金属离子的储存机制。

多价金属离子电池具有高安全性、低成本、金属储量丰富、能量密度较高等优势,在未来大规模储能、电动汽车、便携式电子产品、柔性电子等领域都具有潜在的应用前景。开发结构稳定、电导率高、可逆容量高的正极材料是提高电池性能的关键。我们希望本综述能够为多价金属离子电池嵌入型正极材料的选择、设计和改性提供指导,我们也相信正极材料的开发和应用将会推动多价金属离子电池的快速发展。

论文信息:

Emerging Intercalation Cathode Materials for Multivalent Metal-Ion Batteries: Status and Challenges

Susu Chen, Dong Zhao, Long Chen, Guangrong Liu, Yan Ding, Yuliang Cao,* and Zhongxue Chen*

Small Structure

DOI: 10.1002/sstr.202100082

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100082