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碳基-金属氧/硫化物复合材料在高性能锂/钠离子电池负极中的设计策略
为了满足便携式电子设备和电动汽车等领域中日益增长的储能要求，下一代锂离子电池在能量密度、功率、续航寿命和安全性等方面亟待提高。近年来，钠离子电池由于钠资源储量丰富和价格低廉等优势，在大规模储能方面有着巨大的发展潜力，引起了人们的广泛关注。研发合适的电极材料是发展高性能锂/钠离子电池的关键所在。其中，金属氧化物和金属硫化物由于其较高的理论容量得到广大研究者的青睐。然而，该类材料普遍存在导电性差以及充放电过程中体积变化大等问题，导致其在循环过程中容易发生团聚、粉碎等现象，从而破坏电极结构，引起容量快速衰减。为了解决这些问题，将金属氧/硫化物与碳材料进行复合被视为是最有效的策略之一。所合成的复合材料可以有效提高导电性，并缓冲活性物质在循环过程中的体积膨胀和收缩，进而提高其循环稳定性和倍率性能，制备出高性能的锂/钠离子电池负极材料。
图1. 碳基-金属氧/硫化物复合材料用于锂/钠离子电池负极的结构演变示意图
最近，新加坡南洋理工大学徐梽川（点击查看介绍）课题组系统总结了碳基复合材料在锂离子电池和钠离子电池领域的研究进展，并重点探讨不同的结构设计策略对电化学性能的影响。文章首先以不同的碳纳米材料（如碳纳米管、碳包覆、多孔碳、碳纤维、石墨烯等）为基础，系统分析了单一碳材料和金属氧/硫化物复合材料的制备、结构演变和电化学性能之间的关系，总结出碳基复合材料的电化学性能主要取决于碳材料类型、金属氧/硫化物的特性以及复合材料的构筑方式等因素。例如，碳纳米材料的种类、聚集态、电导率、缺陷位点、孔隙度以及化学掺杂等因素都对复合材料的电池性能产生影响。通过合理调控金属氧/硫化物的形貌、大小、组成成分、结晶度和孔结构等，可以有效提升复合材料的循环寿命和倍率特性。同时，复合材料的电化学性能也受到碳材料和金属氧/硫化物的空间分布、界面作用以及三维排列方式等因素的影响。此外，本文还重点介绍了复合碳材料对金属氧/硫化物电池性能的影响。相对于单一碳材料，复合碳材料在提高导电性、缓冲体积变化和抑制颗粒团聚等方面有着巨大的优势，可以进一步提高金属氧/硫化物的电池性能。文章还指出，通过在复合材料中预留一定的内部孔隙，可以有效的缓冲活性物质的体积膨胀和收缩，提高电极的结构稳定性，从而获得长循环寿命复合材料。最后，作者认为通过探究复合材料的结构与电化学性能之间的构筑关系，可以用来指导并优化下一代高性能电极材料的结构调控，促进碳基-金属氧/硫化物复合材料在储能领域的应用。相关综述文章发表在Advanced Energy Materials 上。
该论文作者为：Yi Zhao, Luyuan Paul Wang, Moulay Tahar Sougrati, Zhenxing Feng, Yann Leconte, Adrian Fisher, Madhavi Srinivasan, Zhichuan Xu
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
A Review on Design Strategies for Carbon Based Metal Oxides and Sulfides Nanocomposites for High Performance Li and Na Ion Battery Anodes
Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201601424
导师介绍
徐梽川
http://www.x-mol.com/university/faculty/38302