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2017上半年钠离子电池前沿综述

来源:材料牛 | 作者:网站编辑 | 分类:学术 | 时间:2017-08-14 | 浏览:2793
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由于地球上钠元素资源丰富,钠离子电池锂离子电池有类似的工作机理,都是通过离子的嵌入和脱出实现其储能过程,钠离子电池有望成为未来大规模储能应用的电化学储能器件,成为目前电化学能源工程研究的热点。本文精选了2017上半年度的钠离子电池前沿综述,主要内容包括“钠离子电池的进展和展望”,“新兴钠离子全电池的纳米电极材料”,“快离子导体电极材料在钠离子电池应用中的挑战和机遇”,“利用原子层沉积技术进行原子尺度修饰和电极材料设计得到高性能钠离子电池”等等,现在就让我们来一睹为快吧~

1、Chemical Society Reviews综述: 钠离子电池的进展和展望

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能源生产和存储技术日益受到研究者的关注,随着锂离子电池的应用其资源不足且成本较高等弊端也逐渐显露,促使研究者们利用资源丰富的钠元素组装得到钠离子电池。钠离子电池与锂离子电池的相似储能机理,使其成为极具发展潜力的下一代储能设备。韩国汉阳大学Yang-Kook Sun教授(通讯作者)等人通过对钠离子电池的电极材料(包括碳材料、过渡金属氧/硫化物)目前研究进展的介绍以及利弊的分析,强调在提升材料比容量的同时仍要关注如何提高钠离子电池的整体能量密度。此外,综述中也说明了除电极材料以外,合适的电解液、添加剂以及隔膜也对电池的最终性能有很大的影响。在实际应用过程中,钠离子电池的电池结构设计和电极匹配还存在许多挑战。

2、Small综述: 新兴钠离子全电池的纳米电极材料

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近年来,钠离子电池由于其相对于锂离子电池拥有储量丰富且成本较低的优势,得到了长足的发展。在钠离子电池真正实际应用前,如何由研究成果的电极材料转换成为可用的最终钠离子电池,建立一个半电池和全电池的桥梁是一个极具挑战力的问题。武汉理工大学的麦立强教授和安琴友(通讯作者)等人通过该综述介绍了水系和非水系钠离子全电池面临的主要挑战和目前的研究进展,鉴于全电池与半电池紧密的联系,综述中强调了无论是电极材料的结构、组成和匹配性都对电池的最终性能有至关重要的影响,并对各类材料进行了介绍。另外文中进一步说明了,要真正实现钠离子电池的产业化,电极材料的组成、结构、匹配性和电池技术都应该得到进一步的提升。

3、Advanced Materials综述: 快离子导体电极材料在钠离子电池应用中的挑战和机遇

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NASICON型材料有着许多优异的特性,比如稳定的结构骨架、高的电子导电性和良好的热稳定性,因此可应用于诸多领域,包括锂离子电池和钠离子电池的电极,固态电解质,锂氧气电池的薄膜,燃料电池和气体传感器等。中国科学技术大学余彦教授(通讯作者)等人在综述中分析了NASICON型电极材料的优缺点,强调要获取理想电化学性能电极结构的设计原则,除了材料的形貌以外,合成方法对最终的电化学性能也有密切的联系。此外,综述中对近期基于NASICON正极和负极材料的结构如何增强导电性和结构稳定性的研究进展进行了概述。NASICON系统提供了一种通用且十分有用的平台用于保证正极和负极工作的可靠性和一致性。相比于其他钠基、锂基材料,NASICON活性材料由于其高电子导电性和相对低的能量密度,该材料能够进一步在功率指向型储能设备中有更多的发展潜力。

4、Journal of Materials Chemistry A综述: 利用原子层沉积技术进行原子尺度修饰和电极材料设计得到高性能钠离子电池

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可再生清洁能源风能和太阳能等能量具有间歇运行的特性,要实现这些能源的实际应用就需要大型固定式储能系统能够进行有效的储存和输出,而钠离子满足大规模固定式储能系统的需求。原子层沉积技术(ALD)在应用于锂离子电池的基础上,能够解决钠离子电池中的很多问题,该技术不仅能在电极材料的表面沉积一层极薄的薄膜,还能对纳米材料的尺度、形貌、组成以及结晶性等进行控制,显示出极大的应用前景。阿肯色大学的Xiangbo (Henry) Meng在综述中简要介绍了ALD技术的基本原理,并说明了钠离子电池中应用该技术进行材料合成的最新进展,说明了该技术在表面改性和材料设计方面的优势,显示了在新材料设计及合成过程中,ALD技术未来的发展前景及潜力。

5、Energy & Environment Science综述: 高性能锰基层状氧化物正极材料克服钠离子电池挑战

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由于含钠层状氧化物的柔性和多功能性,且作为电极材料钠离子能够快速扩散从而具备良好的倍率性能,该材料被视为钠离子电池极具潜力的正极材料。同时,锰元素的成本低、环境友好促使其形成的层状氧化物NaxMn1-y-zMyTMzO2(其中TM表示一种或多种过渡金属元素,M表示一种或多种非过渡金属元素)成为备受关注的材料体系。西班牙CIC EnergiGUNE和巴斯克大学的Teo′filo Rojo教授(通讯作者)在综述中介绍了钠锰层状氧化物的最新进展,分别对目前正极材料的电化学性能、物理性能和锰含量进行了介绍,并进一步讨论了这一研究领域的现状,并提出了该材料之后的发展方向。

6、Energy & Environment Science综述: 室温可用钠离子电池电解液的设计策略及研究进展

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由于地球上钠元素资源丰富,钠离子电池与锂离子电池有类似的工作机理,都是通过离子的嵌入和脱出实现其储能过程,钠离子电池有望成为未来大规模储能应用的电化学储能器件,成为目前电化学能源工程研究的热点。上海交通大学化学化工学院马紫峰教授(通讯作者)等在Energy & Environmental Science针对钠离子电池产业化过程遇到的电解质技术瓶颈问题,深入分析了国内外钠离子电池电解质研发现状,全面回顾钠离子电池的液体、固体或凝胶型等三类电解质的最新研究进展,探讨了满足各种电极材料体系及安全性和长循环寿命等功能需求的电解质设计策略,并基于不同电解质组成和形态,首次勾画出钠离子电池技术路线图,阐述了不同电解质类型及其电化学窗口和能量密度的变化规律,为钠离子电池研究提供一条清晰的发展思路。

7、Journal of Materials Chemistry A综述: 纳米层状金属硫化物作为高性能钠离子电池电极的研究进展

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在考虑成本和储量两大因素的背景下,钠离子电池日趋成为极具潜力的下一代储能设备。为了实现钠离子电池的高能量密度、长循环稳定性、较高的安全性等优势,组成电池的电极材料也迫切需要得到进一步的发展。由于层状过渡金属硫族化合物 (MX2, M=Mo, W, Sn, V, Ti; X=S, Se, Te)具有高导电性、机械稳定性、热力学稳定性以及结构稳定性等一系列优势,得到了众多研究者的关注和青睐。合肥工业大学的许俊教授(通讯作者)等首次全面概述了层状金属硫族化合物作为负极材料在钠离子电池中的研究进展,重点介绍了如何通过纳米结构设计、晶体结构调控、掺杂/合金化以及复合材料的设计提升材料的电化学性能。另外,基于对MX2的了解与研究进展分析,对今后其发展方向进行了展望。

8、Advanced Energy Materials综述: 喷雾热解法制备得到高性能锂/钠离子电池的研究进展

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为了进一步促进锂/钠离子电池的发展,研究者们在实验室中研发出了许多能够提升电池性能的先进电极材料。要真正实现从实验室到产业化生产的转换,就需要找到合适的制备技术和制备手段。喷雾热解法的高度可扩展性和兼容性,能够实现在线连续生产,为合成具有复杂结构和化学性质的电极材料提供了很好的手段。马里兰大学的Michael R. Zachariah教授、王春生教授和韩国科学技术院的Jang Wook Choi教授(通讯作者)通过对目前喷雾热解法制备得到的相关锂/钠离子电池正负极材料的研究进展介绍,并强调了由喷雾热解法得到的特殊结构及其结构对最终电池性能的影响。另外,虽然喷雾热解法具有强大的制备能力,但是其仍存在一定的限制,在研究成果产业化过程中,还需要挖掘更多生产工艺及手段。

9、Advanced Energy Materials综述: 金属硫化物在钠离子电池中的应用

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对于清洁能源和可再生能源的需求,使得研究者们更多地将目光着眼于低成本、高效的钠离子电池上。研究发现,金属硫化物具有良好的氧化还原可逆性和高的比容量,是极具潜力的钠离子电池电极材料。韩国汉阳大学Yang-Kook Sun教授(通讯作者)等就金属硫化物作为钠离子电池负极材料的最新进展进行了概述,并简要说明了各个材料所对应的储能机制。除此以外,综述中还提出了目前金属硫化物面临的问题和挑战,旨在于促进对于金属硫化物相关电化学过程的全面理解,从而能够由材料本身出发,设计得到具备所需活性和稳定性的金属硫化物,进一步提升钠离子电池的电化学性能。

【小结】

由前面的精选综述我们可以发现,对于清洁能源和可再生能源的需求,使得研究者们更多地将目光着眼于低成本、高效的钠离子电池上。然而从研究成果到实际运用,乃至工业化的大规模生产钠电还面临着许多挑战。这就需要我们研究人员,继续在制备工艺、电极材料的改进以及匹配上作出更多的努力,才能早日实现钠离子电池走到人们的日常生活中去。

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