SmartMat|综述：先进纳米工程策略制备高性能层状过渡金属氧化物钠离子电池阴极
学术
科技
2024-09-29 09:30
天津
Jun Xiao, Yang Xiao, Jiayi Li, Cheng Gong, Xinming Nie, Hong Gao, Bing Sun, Hao Liu, Guoxiu Wang. Advanced nanoengineering strategies endow high-performance layered transition-metal oxide cathodes for sodium-ion batteries. SmartMat. 2023; 4:e1211.
https://doi.org/10.1002/smm2.1211
![]()
识别二维码或点击左下角“阅读原文”访问全文
考虑到钠的丰富性和低廉的价格，钠离子电池(SIBs)作为现有锂基电池的替代品，在包括电动汽车和智能电网在内的大规模储能系统中显示出巨大的潜力。阴极材料在很大程度上决定了全SIB的成本和电化学性能，因此得到了广泛的研究。在已报道的阴极中，层状过渡金属氧化物(LTMOs)由于其高比容量、优越的氧化还原电位和合适的可扩展制备而被认为是SIB商业应用最有前途的候选者。然而，不可逆的结构演变、缓慢的动力学和水敏感性仍然是其实际应用的关键瓶颈。纳米工程可以通过增加反应性、缩短扩散途径和加强结构稳定性来提供解决上述问题的机会。本文对LTMOs的改性策略进行了全面总结，强调优化结构，抑制有害相变，促进扩散动力学。本综述旨在促进对结构-组成-性能相关性的深入理解，并为下一代储能系统中LTMO阴极的进一步开发提供指导。
图 1. (A) P2-NLNMO电极在0.1℃、2.0和4.3 V电压窗下首次充放电时的原位X射线衍射(XRD)图。Copyright 2020, Wiley-VCH. (B)第一次循环和第二次充电时收集的Na0.67[Li0.21Mn0.59Ti0.2]O2的原位XRD图谱。Copyright 2020, Wiley-VCH. P2-NaMNCuMg的(C) XRD图谱。Copyright 2020,Elsevier B.V.(D)两种Ca掺杂晶体结构模型及其相应的Ca2+去除能。Copyright 2021, Wiley-VCH. (E) NZNCMO在相对较高的5℃和10℃下的长期循环性能。Copyright 2021, Wiley-VCH.图 2. (A) F-0、F-0.03、F-0.05和F-0.07的X射线衍射(XRD)图以及相应的放大峰(002)。Copyright 2021, American Chemical Society. (B)不同样品的Mn K-edge XANES光谱。Copyright 2020, WILEY-VCH. (C)过渡金属层和氧氟层的傅里叶图谱。Copyright 2020, WILEY-VCH. (D) P2-type NM-NFMF005的非原位XRD图谱。Copyright 2021, Elsevier B.V.
图 3.(A)裸Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2和NaCaPO4涂层Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2在200次循环中的循环寿命。(B) 4.3 V带电裸Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2粉末和NaCaPO4-包覆Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2粉末的TG曲线(插入:相应的差示扫描量热法[DSC]曲线)。Copyright 2018, WILEY-VCH. (C) NaPO3涂层在Na2/3[Ni1/3Mn 2/3]O2上的熔融浸渍示意图。Copyright 2018, WILEY-VCH. (D) NCM@NTP的透射电子显微镜(TEM)图像，Copyright 2020, Elsevier B.V. (E)原始NMCNO和NMNCO@NTP材料Na+扩散的激活势垒能。Copyright 2020, Elsevier B.V.
图 4. (A)制备Al2O3涂层Na[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2阴极的球磨机涂层工艺示意图。Copyright 2017, The Royal Society of Chemistry. (B)高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图片MgO@MF。(C) MF和MgO@MF的(004)峰。Copyright 2019, Elsevier B.V.(D)在充放电过程中TiO2@MFN的原位X射线衍射(XRD)模式。Copyright2020, American Chemical Society. (E)未循环Al2O3原子层沉积(ALD)-涂层Na2/3Ni1/3Mn2/3O2复合电极的TEM图像。Copyright 2017, American Chemical Society. (F) 5种涂层电极在1 C下的循环稳定性. Copyright 2021, WILEY-VCH.图 5. (A)原始AlF3包覆电极和Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 (NNMO)电极在电化学循环过程中的形态结构变化示意图。Copyright 2018, The Royal Society of Chemistry.(B) P2@C-PDA样品制备过程的示意图。(C)碳包覆样品的高分辨率透射电镜(HRTEM)图像。(D)裸样品和碳包覆样品的速率性能。Copyright 2019, Elsevier Ltd.(E) Na0.7MnO2.05空心微球(NMOHS)的制作原理图和NMOHS@PPy。Copyright 2019, American Chemical Society.
图 6. (A)两步合成P2-Na0.7CoO2微球示意图。(B) s-NCO和i-NCO在0.4 C电流下的循环性能及相应的库仑效率。Copyright 2017, WILEY-VCH. (C) Na-NMC-180的扫描电镜(SEM)图像。Copyright 2018, WILEY-VCH. (D) CC Na[Ni0.61Co0.12Mn 0.27]O2粒子的亮场透射电子显微镜(TEM)图像。(E)辐条状纳米棒(SNA) Na[Ni0.61Co0.12Mn0.27]O2颗粒的亮场TEM图像。(F)在0.5 C速率下SNA在100次循环中的容量保持。Copyright 2016, Wiley-VCH.
图 7. (A) O3-NaLNMCM材料的扫描电镜(SEM)图像。(B) O3-NaLNMCM电极在不同速率下的速率性能。Copyright 2018, WILEY-VCH. (C)在2.5-4.15 V电压范围内，在0.1 C下，NaNMCM第一次循环时的原位X射线衍射(XRD)图。黑色星号代表来自Al窗口的峰值。Copyright 2019, WILEY-VCH. (D) Na2/3Ni1/3Mn2/3O2纳米纤维的SEM图像。(E) Na2/3Ni1/3Mn2/3O2纳米纤维的TEM图像。Copyright 2019, Wiley-VCH.图 8. (A) 100次循环后的NaMn0.6Al0.4O2(NMA)和NaMnO2(NMO)阴极的X射线衍射(XRD)图。Copyright 2021, WILEY-VCH. (B)循环10次后Na0.73Li0.23Mn0.77O2 (NLMO)体结构的高分辨率透射电镜(HRTEM)图像。(C)循环10次后NLMO-1/2体结构的HRTEM图像。Copyright 2021, Elsevier Ltd. (D)接触空气前后的化学滴定结果。(E) Na0.93LNFM和NaLNFM在1600 mA/g下循环200次时的循环性能。Copyright 2022, WILEY-VCH.
图 9. (A)具有P2型和O3型晶体结构的粉末X射线衍射(XRD)图。(B)不同速率下P2/ O3-NaNMS电极的速率性能。(C)在2.5-4.15 V电压范围内，在0.1 C条件下首次充放电时收集的P2/O3-NaNMS的原位XRD图谱。黑色星号代表Al窗口的峰值。: Copyright 2022, WILEY‐VCH. (D) NLFMTO相界的高分辨率透射电镜(HRTEM)图像。插图是相应的FFT映射。(E) Na-Fe-Mn氧化物(NFMO)和Na0.67Li0.11Fe0.36Mn0.36Ti0.17O2 (NLFMTO)充电时结构变化示意图。Copyright 2021, Elsevier Ltd. (F)在原始NMO表面形成碳酸钠的原理图以及用P2和O3混合框架形成活化的Na0.44MnO2(NMO)的热活化过程。Copyright 2021, Wiley-VCH.
图 10. (A) P2/P3-NLMNM粉末X射线衍射(XRD)数据的Rietveld细化。(B) P2/P3-NLNMM的高分辨率透射电镜(HRTEM)图像。(C)阴极电极在0.1 C速率下第1次循环时收集的P2/P3-NLNMM的原位XRD图谱。Copyright 2018, Elsevier Ltd. (D)第一个恒流充放电曲线与层状、隧道状和层状-隧道状交错生长电极的比容量和倍率性能的关系。Copyright 2018, WILEY‐VCH. (E) LLS-NaNCMM15阴极粉末XRD谱图及Rietveld细化。(F) P2结构、P3结构和尖晶石结构的HR-TEM图像。(G) LLS-NaNCMM15电极在不同速率下的速率性能。Copyright 2022, Wiley-VCH.
3
作者简介
![]()
汪国秀，教授，悉尼科技大学清洁能源技术中心主任。他在材料科学与工程、材料化学、电化学、能量存储与转换、电池技术、纳米科学和纳米技术等领域工作了20多年。他在可充电锂离子电池、锂空气电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器、电催化剂和燃料电池的电材料应用方面进行了广泛的研究，以及一维半导体纳米结构的可控合成及其在化学和生物传感器中的应用, 以及用于纳米级电子和光子器件的半导体量子点、量子线和量子管。
点击“阅读原文”浏览在线文章
