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浙工大陶新永/劉鐵峰Nano Energy：提高鈉離子電池磷化物負(fù)極性能的策略

鈉離子電池（SIBs）由于與需要足夠能量密度、高功率容量和低材料成本的大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能具有高度的兼容性，近年來(lái)受到電池界的廣泛關(guān)注。因此，在尋找具有優(yōu)異電化學(xué)性能的合適鈉存儲(chǔ)材料方面已經(jīng)付出了相當(dāng)大的努力。

由于磷化物具有較高的理論容量和較低的工作電壓，因此被認(rèn)為是SIBs負(fù)極的候選材料，但遺憾的是，在嵌入/脫出Na時(shí)，磷化物體積膨脹較大，且界面穩(wěn)定性較差。磷化物研究的最新進(jìn)展趨向于形態(tài)設(shè)計(jì)和界面改性，它們實(shí)現(xiàn)了比容量、倍率性能和循環(huán)壽命的顯著改善。

浙江工業(yè)大學(xué)陶新永、劉鐵峰等人基于這些卓有成效的成果，回顧了SIBs負(fù)極中磷化物的最新進(jìn)展。不同種類的磷化物分為三個(gè)部分進(jìn)行討論。作者重點(diǎn)研究了納米結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能之間的關(guān)系。同時(shí)，重點(diǎn)介紹了磷化負(fù)極的界面分析。最后，總結(jié)了基于將磷化物用于SIBs負(fù)極的未來(lái)挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

對(duì)于SIBs磷化物負(fù)極的研究趨勢(shì)，磷化物的合理設(shè)計(jì)需要對(duì)Na儲(chǔ)存機(jī)制的深入理解、不同的組分/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增強(qiáng)的界面穩(wěn)定性的支持。它們的組合更有利于在磷化物優(yōu)異的電化學(xué)性能方面產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。

除了對(duì)納米結(jié)構(gòu)和電化學(xué)特性之間的相關(guān)性進(jìn)行基礎(chǔ)研究外，研究人員還應(yīng)該以解決方案為重點(diǎn)和務(wù)實(shí)。一般來(lái)說(shuō)，電極優(yōu)異的電化學(xué)性能關(guān)鍵需要粘結(jié)劑種類和電解液配方的貢獻(xiàn)。在某些情況下，在磷化物的電化學(xué)評(píng)估中可以明顯觀察到粘結(jié)劑和電解液的影響。

圖1 磷化負(fù)極材料的鈉化/脫鈉機(jī)理示意圖

在這方面，為滿足磷化物更嚴(yán)格的要求，作者提出了幾種策略：

i）加強(qiáng)對(duì)鈉存儲(chǔ)機(jī)制的基本理解，以指導(dǎo)高性能磷化物負(fù)極材料的開發(fā)。在此，使用低溫透射電鏡等新技術(shù)能夠深入表征負(fù)極表面形成的SEI的成分和微觀結(jié)構(gòu)。

ii) 低電位和高容量對(duì)于高能量密度負(fù)極很重要。非常需要適當(dāng)增加磷化物中的P含量以進(jìn)一步提高比容量。高容量和長(zhǎng)循環(huán)能力之間的理想平衡還需要對(duì)磷化物進(jìn)行優(yōu)化研究。

iii) 開發(fā)二元或三元復(fù)合材料，例如在惰性鐵基磷化物中加入Sn、Se和Bi等活性元素或在活性Sn基磷化物中加入惰性Cu，可以處理大的體積變化并增強(qiáng)離子/電子這些雜化物的導(dǎo)電性。同時(shí)，嘗試額外的元素，如 Bi、Nb、Mo 和 V，以了解進(jìn)一步提高這些磷化物電化學(xué)性能的可能性。iv) 粘結(jié)劑和電解液都是磷化物成功的重要組成部分。磷化物導(dǎo)向的粘結(jié)劑和電解液應(yīng)共享硅基負(fù)極的經(jīng)驗(yàn)。

圖2 Sn基磷化負(fù)極材料的改性策略與合成方法研究進(jìn)展

Strategies to Improve the Performance of Phosphide Anodes in Sodium-Ion Batteries. Nano Energy 2021. DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106475

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