帝国理工IOP能源综述期刊Progress in Energy:硬碳在钠离子电池及其他钠基储能器件中的系统综述

【文章背景】

    因为钠相比于锂成本低廉,资源丰富等优势,钠离子电池(SIBs)是锂离子电池(LIBs)最有前途的替代品之一。因此,开发SIBs技术以满足日益增长的储能需求是一项重要的任务。然而,由于商用LIBs中的石墨负极因热动力学问题而不适用于SIBs,所以限制钠离子电池发展的最大的瓶颈之一是高性能、低成本的负极材料的设计。硬碳材料因其优良的成本效益被认为是最有潜力的负极材料,但与LIBs中的石墨负极相比,其性能相对有限,储钠机理也尚不明确。

【工作内容】

    近日,英国帝国理工学院 Maria-Magdalena Titirici 教授课题组本文综述了近年来用于SIBs的硬碳材料的研究进展,包括了SIBs和硬碳材料的基本原理和科学问题,总结了现有的钠储存机理模型和不同类型硬质炭在SIBs中的电化学性能。此外,还简要介绍了硬碳在其它钠基储能系统如钠离子杂化电容器、钠基双离子电池等中的应用。在本综述的最后,也提出了SIBs现在主要面临的挑战和相应的解决策略。文章以“Hard carbons for sodium-ion batteries and beyond”发表于由帝国理工学院发起、英国物理学会(IOPscience)出版的全新能源类综述期刊 Progress in Energy 上。

【图文介绍】

帝国理工IOP能源综述期刊Progress in Energy:硬碳在钠离子电池及其他钠基储能器件中的系统综述图1. 硬碳面临在钠离子电池中的挑战以及相应的改进策略。

    虽然在钠离子电池领域,硬碳负极取得了重大成就,近十年来论文数量不断增加,但许多挑战/瓶颈仍然存在:(1)大多数硬碳材料的储钠容量仍然较低,而以硬碳为负极极的SIBs的能量密度仍然无法与LIBs竞争;(2)速率和循环性能仍然不够好,尤其是对于大型电网储能系统;(3) 硬碳负极的首周库伦效率通常较低,与LIBs中的石墨不具有竞争性,限制了能量密度和总成本;(4)储钠机理尚不清楚。更深入、更彻底地了解钠的储存行为对于更好的材料设计很重要;(5)在大多数情况下,很大一部分容量来自0.1 V(相对于Na+/Na)以下的平台段,这可能导致钠沉积和其他一些安全问题。这些问题都需要更好地理解和解决。

    为了应对这些挑战,文中提出了一些策略可供参考,例如,杂原子掺杂可以提高电子电导率和层间间距,并在表面提供更多缺陷和电化学活性位点,从而导致更多的表面控制电容反应和更好的钠储存性能。此外,孔隙形成策略对于创造和调节闭孔并获得超高比容量是有效的。“斜坡型”或“斜坡主导型”碳是一个越来越受到关注的重要概念。这些类型的碳材料在低电位范围内具有很高的倾斜容量甚至没有平台段。值得注意的是,多孔结构的创造,富缺陷材料的制造和上述杂原子掺杂等都能够实现高倾斜容量。“倾斜型”碳通常具有更多的表面控制反应/吸附,并且具有更快的电子/离子扩散动力学,因此具有相对优异的倍率性能。此外,从高电位斜坡区获得的更多容量也可以降低钠沉积的风险,这比长平台型的碳材料更安全。

    首周库伦效率也是SIBs负极材料的一个非常重要的参数,然而文献中对首周库伦效率的关注和研究却略显不足。首周库伦效率能明显地影响能量密度和商业制造的成本。通常,低首周库伦效率和高不可逆容量归因于大表面积SEI的形成。因此,减小表面积被认为是增强首周库伦效率的最可接受的方法。碳材料内缺陷的存在是低首周库伦效率的另一个重要原因,尽管它们也可以提供更具体的容量。因此,缺陷屏蔽也被报道用于改善首周库伦效率以及循环稳定性。除了结构设计和改进外,优化电解液和电极/电解液界面对提高库仑效率和循环性能也很重要。图1总结了硬碳负极材料在SIBs中的具体挑战以及相应改进的一些有效方法。

【总结】

    本文综述了近年来用于SIBs的硬碳材料的研究进展,同时包括SIBs的基本原理、储钠机理、结构和不同类型硬碳在SIBs和其它类型钠基储能中的电化学性能以及该领域面临的主要挑战。我们的目的是提供一个关于硬碳及其在SIBs应用情况的了解、未来的前景和可能的研究方向。

【课题组简介】

    Maria-Magdalena Titirici 是帝国理工学院教授,英国皇家化学学会等学会会士,Journal of Material Chemistry A期刊副主编,Advanced Functional Materials, ChemSusChem,Carbon等期刊编委,已经在Nature Catalysis, Nature Chemistry,Energy & Environmental Science等期刊发表250多篇文章,被引用次数2万5千余次,h-index为75(Google scholar),连续四年里入选全球高被引学者(Clarivate Analytics)。课题组目前的研究重点为可持续能源材料,主要通过水热工艺生产的碳基复合材料,避免可再生能源技术中的关键元素,开发真正可持续的清洁能源储存和转换途径,包括锂以外的替代化学、木质素/纤维素制成的柔性和结构超级电容器、碳基电催化,二氧化碳捕集与转换及纳米碳光电性质探讨等。

Fei Xie, Zhen Xu, Zhenyu Guo and Maria-Magdalena Titirici*. Hard carbons for sodium-ion batteries and beyond. Progress in Energy, 2020, DOI:10.1088/2516-1083/aba5f5

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参考文献:Progress in Energy