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层状金属二硫化物作为钠离子电池负极的研究进展

来源:广州启灏机电工程有限公司发布时间:2022-10-07 04:25阅读:原标题:层状金属二硫化物作为钠离子电池负极的研究进展

钠离子电池(NIBs)因其资源丰富、环境友好等特点被认为是最有望替代锂离子电池(LIBs)的新一代储能系统。然而,钠离子半径大于锂离子,传统锂离子电池负极材料在充放电过程钠离子电池(NIBs)因其资源丰富、环境友好等特点被认为是最有望替代锂离子电池(LIBs)的新一代储能系统。然而,钠离子半径大于锂离子,传统锂离子电池负极材料在充放电过程中钠离子嵌入/脱出困难,容易造成材料结构的坍塌。目前,缺乏合适的负极材料仍是限制NIBs大规模应用的主要障碍之一。与传统的NIBs负极材料(碳材料、金属氧化物、金属磷化物等)相比,层状金属二硫化物(TMDs)由于其独特的层状结构可“额外”储存钠离子,并有效地缓解电化学反应中的体积变化已被广泛研究。本文将首先将介绍三种常见关于TMDs材料的合成方法(水/溶剂热法,化学气相沉积法,液相剥离法)。接下来对几种作为NIBs负极的常用TMDs(MoS2、SnS2、WS2、VS2)的研究进展进行综述。最后将对不同TMDs材料合成方法的优缺点进行比较并进一步展望其目前所遇到的挑战及未来的发展前景,为进一步推动TMDs在NIBs的产业化应用提供一些理论参考和科学借鉴。

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传统化石燃料的广泛使用造成了能源危机的同时也造成了环境污染,寻找清洁能源替代传统化石燃料已成为现在发展的大趋势,锂离子电池(LIBs)作为新兴的清洁能源,因其较高的比容量、良好的工作稳定性、较宽的工作温度区间等优点,目前已在便携式设备、电动车等领域广泛使用。然而,锂资源储量低造成其成本日益增加,严重限制了LIBs的发展。钠与锂同主族,二者具有相似的物理化学性质,且钠资源丰富、成本低廉,因此钠离子电池(NIBs)引起了人们的广泛关注。然而,钠离子具有比锂离子更大的离子半径(Li+为68 pm,Na+为98 pm),且具有比锂离子更高的还原电位(Na+/Na的标准电极电势为-2.71 V,比Li+/Li高约0.3 V)。这些差异可能导致在相同电极材料充放电过程中,较大的钠离子将导致负极材料晶体结构的坍塌。因此,探索高性能储钠负极材料具有重要的研究意义。近年来,常见层状金属二硫化物(TMDs)由于具有较高的理论比容量、资源丰富、低毒性等特点,受到了研究学者们的广泛关注。与金属氧化物、金属磷化物及普通金属硫化物相比,TMDs具有以下优点:①层状的TMDs具有大的比表面积,可以更好地吸收电解质,并确保活性物质与电解质的充分接触,从而降低电极反应时的阻抗;②TMDs的层间存在比较多活性位点,便于钠离子吸附及电化学反应的产生;③TMDs相邻层之间的空间空隙比较大,对钠离子迁移的阻碍较小,从而可以实现快速的离子扩散;④TMDs可变的层状结构有利于缓解钠离子嵌入/脱出时所产生的体积膨胀,从而增强电极材料的循环稳定性。典型的TMDs结构为M(M=Mo、Sn、W、V)夹在两个S原子之间,通过范德华键相互连接形成S-M-S层。不同金属的层间距如下:MoS2(0.615 nm)、SnS2(0.589 nm)、WS2(0.618 nm)、VS2(0.573 nm)。此外,TMDs的固有层间距也可以通过各种化学和物理方法进行调整,且TMDs具有不同的电化学反应机制(例如:插入、转化和合金化)。因此,TMDs非常适合作为NIBs负极材料使用。本文首先总结了TMDs基纳米材料的合成方法,包括不同形貌TMDs和TMDs基复合材料的制备,回顾了TMDs基纳米材料在NIBs中的应用进展,最后展望了TMDs材料目前所面临的挑战及未来的研究前景,希望为进一步推动TMDs在NIBs的产业化应用提供一些理论参考和科学借鉴。

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