空心結構正極材料在可充電電池中的應用與發展

2020-11-23 騰訊網

空心結構材料因為比表面積高和可存取空間大, 展現出在光能獲取、電子和離子傳輸以及質量載荷和擴散上的優勢, 因而成為一類重要的功能材料, 在能量存儲和轉換、氣體傳感、環境修復、生物醫藥等諸多領域中具有應用。

在電池材料中, 空心結構材料的應用可以顯著提升材料的電化學性能。一方面, 空心結構有利於電解液的浸入並且增加電解液與電極材料的接觸面積, 不僅提高了材料的可利用容量, 也通過縮短鋰離子的擴散路徑進而提升電池的倍率性能。另一方面, 空心結構可以緩釋材料在材料充放電過程中的體積變化, 從而減少材料在反覆充放電過程中的粉化, 延長電池的循環壽命。

近年來, 空心結構的應用不僅推動了很多新型負極材料的發展, 對於下一代正極材料的探索和改性也作出了一定貢獻。近日, 澳大利亞昆士蘭大學王連洲教授課題組在Science Bulletin2020年第6期發表了題為「Hollow structured cathode materials for rechargeable batteries」的綜述文章, 系統總結了具有空心結構的正極材料在可充電電池, 尤其是是在鋰離子電池和鈉離子電池中最新研究進展。第一作者為昆士蘭大學博士後研究員朱曉波。

綜述總覽圖

該文首先探討了空心結構的分類以及其在正極材料中應用帶來的優勢和潛在的問題。隨後根據電池和正極材料類型, 具體介紹了空心結構應用在不同類型正極材料所取得的成果, 包括合成方法、結構特點和性能提升程度。對於下一代高比容量正極材料(比如富鋰層型氧化物、釩基氧化物、矽酸鹽等)的電學性能, 由於這些材料往往表現出較低的電子電導率、離子擴散係數和較高的體積變化率, 空心化策略的效果尤為突出。

最後, 文章對該領域未來的發展前景和方向進行了展望:

(1) 探索空心結構的空間結構精確控制, 尤其是控制得到平衡的空心體積率, 以兼顧倍率性能和體積能量密度;

(2) 探索空心結構的新型綠色低成本和規模化的合成, 為商業化應用提供基礎;

(3) 通過原位和非原位手段研究空心結構在電化學反應中的貢獻和演變, 從而指導新型微觀結構的設計;

(4) 關注空心結構在實際使用中的表現, 尤其是壓實條件對性能的影響。

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