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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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雙離子電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展 已有1人參與
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研究背景 與“搖椅式”鋰離子電池(LIBs)不同,雙離子電池(DIBs)在充放電過程中陰離子和陽離子會同時(shí)參與到電化學(xué)反應(yīng)中。特殊的反應(yīng)機(jī)制賦予了DIBs低成本、高電壓和環(huán)境友好等優(yōu)勢。然而,盡管有著巨大的實(shí)際應(yīng)用前景,DIBs仍面臨著許多懸而未決的挑戰(zhàn),其中一個關(guān)鍵問題就是缺乏合適的負(fù)極活性材料。需要采取相應(yīng)的策略以突破這一瓶頸,目前也取得了一些鼓舞人心的效果;仡櫤涂偨Y(jié)以往的研究將有助于未來對DIBs的探索和優(yōu)化。這里,總結(jié)了DIBs負(fù)極的發(fā)展歷史和工作機(jī)制,詳盡歸納了負(fù)極材料的研究進(jìn)展及其在不同電池體系中的應(yīng)用。此外,還討論了負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、反應(yīng)機(jī)理、電化學(xué)性能和改性策略。最后,還提出了潛在的解決方案和前景展望。希望通過這篇綜述能為研究者們開發(fā)出更高效的負(fù)極材料和更先進(jìn)的DIBs體系提供一些啟發(fā),以進(jìn)一步推動先進(jìn)DIBs的發(fā)展。 1.jpg A Review of Anode Materials for Dual-Ion Batteries Hongzheng Wu, Shenghao Luo, Hubing Wang, Li Li, Yaobing Fang, Fan Zhang, Xuenong Gao*, Zhengguo Zhang* and Wenhui Yuan* Nano-Micro Letters (2024)16: 252 https://doi.org/10.1007/s40820-024-01470-w 本文亮點(diǎn) 1. 回顧了雙離子電池的發(fā)展歷史和工作機(jī)理,重點(diǎn)介紹了負(fù)極材料的最新進(jìn)展。 2. 全面而詳細(xì)地總結(jié)了四種雙離子電池負(fù)極材料的合成策略、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能表征和反應(yīng)原理。 3. 重點(diǎn)介紹了當(dāng)前負(fù)極材料面臨的挑戰(zhàn),并討論了先進(jìn)負(fù)極材料和電池系統(tǒng)的優(yōu)化策略,為商用雙離子電池的設(shè)計(jì)提供了未來的研究方向。 內(nèi)容簡介 與LIBs相比,目前DIBs的研究尤其是負(fù)極材料的發(fā)展仍處于初級階段,面臨著許多挑戰(zhàn),如較高的自放電率,較低的起始庫倫效率,倍率性能不佳,缺乏能夠與之兼容的電解質(zhì)。人們對負(fù)極材料的研究技術(shù)還不成熟,發(fā)展較為落后,需要做出更多的努力。因此,在接下來的章節(jié)中,華南理工大學(xué)袁文輝、張正國、高學(xué)農(nóng)等人詳細(xì)的討論了DIBs負(fù)極材料的研究進(jìn)展,包括負(fù)極材料的合成設(shè)計(jì)、性能表征、反應(yīng)機(jī)理和改進(jìn)策略。此外,還總結(jié)了當(dāng)前DIBs負(fù)極材料所面臨的挑戰(zhàn),并提出了潛在的解決方案和對未來發(fā)展方向的展望。同時(shí),也希望本綜述能夠讓更多人了解到DIBs,吸引更多的研究人員加入到DIBs的研究領(lǐng)域,并促進(jìn)其更快的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲能應(yīng)用。目前所應(yīng)用于DIBs的負(fù)極材料可以大致分為四類,分別是碳質(zhì)材料、金屬質(zhì)材料、有機(jī)材料和近年來新興的材料如MOFs、COFs及MXenes材料等。相應(yīng)地,這些材料所涉及到的工作機(jī)制主要有四種,分別為嵌入、合金、轉(zhuǎn)化和烯醇化反應(yīng)。接下來將對以上四種材料分別展開敘述。 圖文導(dǎo)讀 I 雙離子的工作機(jī)制與現(xiàn)狀 首先總結(jié)了DIBs目前的研究現(xiàn)狀,對比了DIBs與其他類型的電池的優(yōu)缺點(diǎn)。 2.png 圖1. (a)各種金屬元素的綜合特性比較。(b)各種類型電池的整體性能比較。(c)LIBs的工作機(jī)制示意圖和(d)DIBs的運(yùn)行機(jī)制示意圖。(e)過去十年中關(guān)于DIBs發(fā)表的文章數(shù)量。(f)過去十年中關(guān)于DIBs的文章引用次數(shù)。 為了更好地理解雙離子電池,首先對其發(fā)展歷史進(jìn)行一個簡要的回顧。作為一種新型的電池儲能體系,DIBs雖然在近幾年才有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展,但早在上個世紀(jì)就有相關(guān)的概念被提出,1989年,McCullough等人首次提出了“雙石墨電池”(DGB)和“雙插層”的概念以解釋電池的反應(yīng)過程。之后到1994年,Carlin等人首次報(bào)道了基于室溫離子液體的DGB,證明了大尺寸的1-乙基-3甲基咪唑陽離子能夠可逆的嵌入石墨負(fù)極。2000年,Seel等人通過原位XRD首次證明了活性離子的嵌入是一個分步插層的階段性過程。直到2012年,Plack等人才正式提出“dua-ion battery”的概念并沿用至今。2014年,Read等首次通過采用氟化電解質(zhì)添加劑實(shí)現(xiàn)了5.2 V級的高壓DGB。Tang等人在2016年報(bào)道了基于鋁負(fù)極的鋰基DIBs,首次將DIBs負(fù)極的研究由石墨轉(zhuǎn)向金屬。為進(jìn)一步降低成本,該團(tuán)隊(duì)又報(bào)道了基于Sn負(fù)極的鈉基雙離子電池,鉀基雙離子電池以及在室溫下能夠穩(wěn)定循環(huán)的鈣基雙離子電池。2019年,Wu等人首次提出了反向雙離子電池(RDIB)的概念并闡述了其中的工作機(jī)理。2020年,Lei等人報(bào)道了首個基于有機(jī)負(fù)極的鎂基雙離子電池。之后,又陸續(xù)出現(xiàn)了首個6.0 V級和放電容量突破350 mA h g⁻1的DIBs,使得DIBs在實(shí)際應(yīng)用的道路上又邁進(jìn)了一步。 3.png 圖2. 雙離子電池的發(fā)展歷史。 II DIBs的負(fù)極材料種類與反應(yīng)原理 目前DIBs的研究尤其是負(fù)極材料的發(fā)展仍處于初級階段,面臨著許多挑戰(zhàn),如較高的自放電率,較低的起始庫倫效率,倍率性能不佳,缺乏能夠與之兼容的電解質(zhì)。人們對負(fù)極材料的研究技術(shù)還不成熟,發(fā)展較為落后,需要做出更多的努力。因此,在接下來的章節(jié)中,將全面詳細(xì)的討論DIBs負(fù)極材料的研究進(jìn)展,包括負(fù)極材料的合成設(shè)計(jì)、性能表征、反應(yīng)機(jī)理和改進(jìn)策略。此外,還總結(jié)了當(dāng)前DIBs負(fù)極材料所面臨的挑戰(zhàn),并提出了潛在的解決方案和對未來發(fā)展方向的展望。同時(shí),也希望本綜述能夠讓更多人了解到DIBs,吸引更多的研究人員加入到DIBs的研究領(lǐng)域,并促進(jìn)其更快的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲能應(yīng)用。如圖3a所示,目前所應(yīng)用于DIBs的負(fù)極材料可以大致分為四類,分別是碳質(zhì)材料、金屬質(zhì)材料、有機(jī)材料和近年來新興的材料如MOFs、COFs及MXenes材料等。相應(yīng)地,這些材料所涉及到的工作機(jī)制主要有四種,分別為嵌入、合金、轉(zhuǎn)化和烯醇化反應(yīng)(圖3b)。接下來將對以上四種材料分別展開敘述。 4.png 圖3. (a, c) DIBs 系統(tǒng)中系統(tǒng)中應(yīng)用的四種陽極材料。(b, d) 相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理。 III DIBs用碳質(zhì)負(fù)極材料的研究進(jìn)展 5.png 圖4. 石墨化材料的反應(yīng)機(jī)理及相應(yīng)的改性策略示意圖。 6.png 圖5. 非石墨化碳負(fù)極材料的儲存機(jī)理及其在DIBs中的應(yīng)用。 7.png 圖6. 新興碳材料在DIBs中的應(yīng)用。 IV 金屬質(zhì)負(fù)極材料的研究進(jìn)展 8.png 圖7. 合金化材料及相應(yīng)的改性策略。 9.png 圖8. 錫及非金屬合金在DIBs中的應(yīng)用及改性策略。 10.png 圖9. 轉(zhuǎn)換材料及相應(yīng)的改造策略。 V 有機(jī)負(fù)極材料的研究進(jìn)展 11.png 圖10. PAHs陽極在DIBs中的應(yīng)用。 12.png 圖11. N型有機(jī)材料在DIBs中的應(yīng)用及改性策略。 13.png 圖 12. 羰基化合物在DIBs中的應(yīng)用。 VI 新興負(fù)極材料的研究進(jìn)展 14.png 圖13. MOFs基材料在DIBs中的應(yīng)用及其改性策。 15.png 圖14. COFs陽極材料在DIBs中的應(yīng)用及其改性策略。 16.png 圖15. MXenes陽極材料在DIBs中的應(yīng)用及其改性策略。 VII 總結(jié)與展望 綜上所述,我們總結(jié)了DIBs的發(fā)展進(jìn)程和工作機(jī)制,綜述了負(fù)極材料的種類、結(jié)構(gòu)、性能和反應(yīng)機(jī)理及其在不同體系中的應(yīng)用。具體地,DIBs負(fù)極材料主要?dú)w納為碳基材料、金屬基材料、有機(jī)材料和新興材料。相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理分別為嵌入、合金、轉(zhuǎn)化和烯醇化反應(yīng)。雖然上述負(fù)極材料在近年來經(jīng)過的不斷探索和優(yōu)化后取得了一些令人鼓舞的成就,但是DIBs的發(fā)展仍處于起步階段,面臨著許多挑戰(zhàn),不同的材料都表現(xiàn)出各自的局限性。為此,還需不斷地探索和開發(fā)高性能、低成本的負(fù)極材料,新穎獨(dú)特的合成策略以及新型的表征分析技術(shù)來克服上述限制和挑戰(zhàn),提高DIBs在電化學(xué)儲能中的核心競爭力,爭取早日實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的儲能應(yīng)用。在這里,簡明扼要地列出了一系列極具希望的改進(jìn)策略,并作為下一代DIBs的有效指導(dǎo)。 (1)微/納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和形貌調(diào)控 通過構(gòu)筑特定形貌且可控的微/納米結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)并認(rèn)為是最可行、最有效的優(yōu)化方案之一,已被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)儲能體系,并顯著地提升了電池的綜合性能。一方面,微/納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以改善電極與電解質(zhì)的兼容性,更有利于電解質(zhì)的滲透,在提高活性比表面積,暴露更多活性位點(diǎn),促進(jìn)電子/離子傳輸和提高反應(yīng)動力學(xué)方面起著關(guān)鍵作用,有望帶來更高的放電容量和倍率能力。另一方面,特定形貌的調(diào)控不但可以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,而且能夠提供額外的缺陷活性位點(diǎn),有利于帶來更出色的循環(huán)穩(wěn)定性。除此之外,其它的一些合成策略如異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、雜原子摻雜、3D多孔/核殼結(jié)構(gòu)調(diào)控、量子點(diǎn)的合成等也能帶來不錯的效果,并顯著提高和改善DIBs的電化學(xué)性能。 (2)電極/電解質(zhì)界面工程 電極/電解質(zhì)界面設(shè)計(jì)及優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高性能DIBs的必要條件,而這對于負(fù)極側(cè)來說尤為重要。界面改性的意義是保證形成性能優(yōu)異的SEI層,應(yīng)具備高的機(jī)械性能和電導(dǎo)率,在實(shí)現(xiàn)離子快速傳輸?shù)耐瑫r(shí)能夠穩(wěn)定存在,尤其是在高電位下能夠抑制電解質(zhì)的氧化分解。此外,還能對負(fù)極起到保護(hù)作用,能夠選擇性允許陽離子可逆嵌入的同時(shí)避免溶劑分子的共插層,并抑制枝晶的形成和結(jié)構(gòu)膨脹,進(jìn)而改善DIBs的電化學(xué)性能。然而,人們對電極/電解質(zhì)界面的成分、組成、形成和演化機(jī)制的了解還十分局限,在這方面,將需要更加深入的實(shí)驗(yàn)分析和理論計(jì)算,以期構(gòu)建一個理想的電極/電解質(zhì)界面。 (3)新型負(fù)極材料和體系 為實(shí)現(xiàn)DIBs的商業(yè)化以及大規(guī)模儲能應(yīng)用,并滿足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和電化學(xué)儲能設(shè)備的要求,開發(fā)具有高理論容量、高能量密度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、自放電率低的新型低成本高性能的負(fù)極材料和DIBs體系無疑是未來最重要的研究方向之一。 (4)先進(jìn)表征技術(shù) 總的來說,對于DIBs的系統(tǒng)性研究仍處于起步階段,存在許多技術(shù)挑戰(zhàn),很多電極材料的內(nèi)在儲存機(jī)理和結(jié)構(gòu)演變都是通過非原位表征手段來探究,這無疑存在很大的誤差,具有一定的偶然性和誤導(dǎo)性。因此,需要結(jié)合一些先進(jìn)的原位表征手段、同步輻射技術(shù)和DFT計(jì)算模擬等以解決各種科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn),深入探究實(shí)際操作條件下的反應(yīng)過程、演變機(jī)理和衰減機(jī)制,這對于指導(dǎo)和設(shè)計(jì)新型電極材料和DIBs體系具有重要意義。特別地,關(guān)于DIBs安全性能的研究鮮有報(bào)道,未來需要對DIBs進(jìn)行相關(guān)的安全性能檢測,如燃燒、針刺、擠壓和產(chǎn)氣等。DIBs具有可媲美商用LIBs的電化學(xué)性能,作為下一代可充電電池極具應(yīng)用前景,但仍存在許多科學(xué)和技術(shù)問題,需要更多的努力去解決和完善。 17.png 圖16. (a) 四種負(fù)極材料的綜合性能比較。(b) DIBs負(fù)極材料的發(fā)展策略綜述。 作者簡介 18.jpg 袁文輝 本文通訊作者 華南理工大學(xué) 教授 ▍主要研究領(lǐng)域 主要研究方向無機(jī)-有機(jī)膜材料、能源材料。 ▍個人簡介 華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師;廣東省工程中心主任;1990年7月本科畢業(yè)于華南理工大學(xué),1993年7月畢業(yè)于華南理工大學(xué),獲碩士學(xué)位,1996年7月畢業(yè)于華南理工大學(xué),獲博士學(xué)位留校工作;2001-2002年在美國辛辛那提大學(xué)化工系合作研究,2008年上半年在美國Arizona State University 化工系合作研究,2011-2012年在美國Georgia Tech 化工系合作研究。先后主持國家自然科學(xué)基金、省部級科技計(jì)劃項(xiàng)目及其他企業(yè)合作項(xiàng)目20余項(xiàng);已在國際頂級刊物JACS、NML、AFM、Small、CEJ、CC、ACS AMI等刊物發(fā)表論文100余篇,獲得國家發(fā)明專利20余件。 ▍Email:cewhyuan@scut.edu.cn 19.jpg 高學(xué)農(nóng) 本文通訊作者 華南理工大學(xué) 教授 ▍主要研究領(lǐng)域 長期從事傳熱強(qiáng)化與節(jié)能技術(shù)的教學(xué)與研究,主要研究方向是強(qiáng)化傳熱、電子元器件熱管理、新型高效儲能材料技術(shù)等的應(yīng)用及理論研究。 ▍個人簡介 獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項(xiàng)、中國高校自然科學(xué)和優(yōu)秀專利二等獎1項(xiàng)、省科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng),省部級科技進(jìn)步三等獎2項(xiàng),省高校科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)。先后主持國家自然科學(xué)基金、973項(xiàng)目子課題、863重點(diǎn)項(xiàng)目子課題、廣東省重大科技專項(xiàng)課題、廣東省自然科學(xué)基金以及省、市其他科技計(jì)劃項(xiàng)目等10余項(xiàng),承擔(dān)橫向合作項(xiàng)目10余項(xiàng)。在《Applied Energy》、《Energy Conservation and Management》、《Industrial and Engineering Chemistry Research》、《Applied Thermal Engineering》等刊物上發(fā)表論文200余篇。 ▍Email:cexngao@scut.edu.cn 20.jpg 張正國 本文通訊作者 華南理工大學(xué) 教授 ▍主要研究領(lǐng)域 主要從事傳熱與節(jié)能的研究,包括(1)強(qiáng)化傳熱;(2)相變儲熱材料制備;(3)太陽能熱利用;(4)電子器件及動力電池?zé)峁芾怼?br /> ▍個人簡介 華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院院長,中國高被引學(xué)者,獲教育部及廣東省科技獎勵二等獎4項(xiàng),廣東省教學(xué)成果一等獎1項(xiàng)。入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃。擔(dān)任國際知名期刊Solar Energy Materials and Solar Cells副主編;化工進(jìn)展編委;高效化學(xué)工程學(xué)報(bào)編委;儲能科學(xué)與技術(shù)編委;中國化工學(xué)會儲能專業(yè)委員會副主任委員。在Energy Storage Materials、Applied Energy、Journal of Materials Chemistry A、Energy、Energy Conversion and Management、Solar Energy、Renewable Energy、Industrial & Engineering Chemistry Research、Applied Thermal Engineering等能源、化工領(lǐng)域主流國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI收錄論文160多篇,其中10篇論文入選ESI高被引論文。獲授權(quán)發(fā)明專利10多件!奥菪舭鍙(qiáng)化管換熱器”在石油、化工企業(yè)推廣應(yīng)用、“復(fù)合相變儲熱材料”在熱泵、空調(diào)系統(tǒng)及軍事領(lǐng)域應(yīng)用。先后承擔(dān)國家973子課題、863項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金(聯(lián)合基金)重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(xiàng)、企業(yè)合作項(xiàng)目等。 ▍Email:cezhang@scut.edu.cn 撰稿:原文作者 編輯:《納微快報(bào)(英文)》編輯部 關(guān)于我們 21.jpg Nano-Micro Letters《納微快報(bào)(英文)》是上海交通大學(xué)主辦、在Springer Nature開放獲取(open-access)出版的學(xué)術(shù)期刊,主要報(bào)道納米/微米尺度相關(guān)的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微納米材料與結(jié)構(gòu)的合成表征與性能及其在能源、催化、環(huán)境、傳感、電磁波吸收與屏蔽、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等數(shù)據(jù)庫收錄,2023 JCR IF=31.6,學(xué)科排名Q1區(qū)前3%,中國科學(xué)院期刊分區(qū)1區(qū)期刊。多次榮獲“中國最具國際影響力學(xué)術(shù)期刊”、“中國高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等榮譽(yù),2021年榮獲“中國出版政府獎期刊獎提名獎”。歡迎關(guān)注和投稿。 Web: https://springer.com/40820 E-mail: editor@nmlett.org Tel: 021-34207624 |

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