文章資訊
基於MOFs衍生的過渡金屬硫化物複合材料用於高性能鈉離子電池
第一作者:王佳佳
通訊作者:官國清*
組織:日本國立弘前大學
研究背景
近年來,因其價格低廉、豐富的鈉資源以及和LIBs相似的電化學效能,鈉離子電池(SIBs)在大規模儲能領域中被認為是鋰離子電池的最佳替代品之一。然而,其商業化的瓶頸之一是開發和設計具有優异比容量、良好可逆性和長壽命迴圈穩定性的合適負極資料。
在開發的SIBs負極資料中,具有低成本、高理論容量、豐富的氧化還原反應特性、良好的電化學可逆性和高電導率的過渡金屬硫化物(TMSs)得到了廣泛地關注和研究。然而,這些資料的迴圈穩定性仍然限制了它們的應用。
為了解决這個問題,研究者們正努力開發基於金屬有機骨架(MOFs)的TMSs作為SIBs的負極資料,使其具有更高的比容量、良好的倍率特性和優异的迴圈效能。
圖1.圖文摘要。
文章簡介
基於此,來自日本國立弘前大學的官國清教授/阿布裏提教授課題組詳細回顧了近5年來基於MOFs衍生的TMSs在SIBs的研究進展,在國際知名期刊Energy Storage Materials上發表題為“MOFs-derived transition metal sulfide composites for advanced sodium ion batteries”的綜述文章。
該文介紹了由MOFs衍生的TMSs的合成方法及利用各種原位表徵科技探索TMSs在SIBs的電化學反應機制,並討論了基於MOFs衍生的TMSs在進一步研究中存在的挑戰。最後對開發和設計基於MOFs衍生的TMSs用於高性能SIBs的前景作了展望。
本文要點
要點一:本文詳細綜述了各種基於MOFs衍生的TMSs的合成方法,圖2,3是其中兩個例子
圖2.氮摻雜海膽狀MoS2/C的(a)合成示意圖和(b-c)TEM影像;MoS2/Co9S8/C納米盒的(d)溶劑熱法及後續煆燒過程示意圖,(e)FE-SEM影像和(f)HR-TEM影像;(Co0.5Ni0.5)9S8/N-C空心球的(g)合成示意圖,(h)SEM影像和(i)TEM影像;Cu1.8S-C/C核殼結構的(j)合成示意圖,(k)SEM影像和(l)TEM影像。
要點二:本文也詳細綜述了基於MOFs衍生的TMSs的典型電化學效能,圖3是其中一例。
圖3.(a)海綿狀(Co9S8QD@HCP)@rGO複合負極資料的合成示意圖,(b)海綿狀(Co9S8QD@HCP)@rGO複合負極資料中Co9S8的晶格參數和總能量以及注入電荷轉移的變化和(c)在鈉化過程中從Co9S8@rGO到Co@rGO的相變;(d)鈉離子在(di)CoS2/MoS2,(dii)MoS2/MoS2的介面,及鈉離子的遷移軌跡從S1到S2在(diii)CoS2/MoS2,(div)MoS2/MoS2的介面的吸附能和(e)CoS2/NC@MoS2-10電極在1 A g-1下的長期迴圈穩定性;CoS2/C@SnS2複合負極資料的(f)合成示意圖和(g)在10 A g-1下長期迴圈穩定性。
要點三:本文重點綜述了金屬硫化物在SIBs中的反應機理,如圖4所示。
圖4.金屬硫化物在SIBs中的反應機理。
要點四:本文綜述了各種典型的先進表徵及其在探究TMSs在SIBs的反應機理中的應用,如圖5所示。
圖5.六種原位表徵科技。
結論
儘管基於MOFs衍生的TMSs作為SIBs負極資料表現出增强的電化學效能、長迴圈穩定性和優异的倍率容量,但在SIBs的實際應用中仍然存在一些挑戰。首先,TMSs負極資料的許多工作機制仍不清楚,也存在一些有爭議的觀點。囙此,深入研究和瞭解鈉離子嵌入/脫嵌過程中的反應機理和動力學迫在眉睫。
其次,雖然可以應用包括電化學阻抗譜(EIS)和迴圈伏安法(CV)在內的傳統電化學表徵科技來瞭解電極行為,但在迴圈過程中很難檢測活性資料本身的固有特性。近年來一些先進的原位/原位表徵科技,如原位/原位XRD、SEM、TEM、EIS、XPS已廣泛用於探測迴圈過程中的各種變化,如結構演變、形態和成分變化。雖然這些原位表徵科技可以提供更可靠和有價值的資訊,但檢測設備設計困難,量測環境過於嚴格等問題仍需解决。
另外,為了瞭解納米結構/組成與電化學行為之間的關係,基於密度函數理論(DFT)和其他理論的類比也成為一種研究手段。現時,電池資料的結構穩定性可以通過DFT計算來估計,包括內聚能、吉布斯自由能等。
值得注意的是,電化學反應的吉布斯自由能計算也適用於估計電池的開路電壓和理論容量。基於電子密度,電池資料的電子結構,分子軌道的DFT計算,能帶結構,態密度和電荷分佈可以分析電池資料的效能。
此外,DFT已被採用通過計算沿離子擴散路徑的活化能來類比電池資料的離子傳輸動力學,並且離子或分子吸附過程的類比被廣泛用於在原子水准上探索離子存儲能力和電池資料中的電化學反應機制,這對研究電池的容量和迴圈效能有很大幫助。囙此,DFT計算不僅可以幫助對實驗結果進行更合理的解釋和理解,還可以預測和虛擬篩選出有前景的電池資料,大大縮短了研究時間,降低了開發成本。
總之,將先進的原位表徵科技與理論計算相結合對於深入理解機理非常重要,這將有助於指導基於MOFs衍生的TMSs的設計和規模化生產。第三,當MOF s衍生的TMSs用於SIBs的負極時,高比表面積、多孔結構和缺陷表面可能導致低振實密度和低於60%的初始庫侖效率。囙此,設計和優化基於MOFs衍生的TMSs資料及更全面地理解孔結構與電化學效能之間的關係,以實現更有效的儲鈉,仍然是至關重要的。
此外,考慮到氧化還原活性位點、迴圈穩定性、倍率效能和可逆性等最佳電化學效能,MOFs衍生的TMSs的化學成分也應得到更多關注和精確設計。
現時,大多數研究總是集中在幾種常用的MOFs類型上,如ZIF和MIL。未來的工作應該考慮使用其他類型的MOFs前驅體來擴展MOFs衍生的TMSs的組成和結構,以實現更高效能的SIBs。
除了結構設計外,碳包覆、電解質優化和調諧電壓視窗等其他策略也被廣泛用於提高SIBs效能。現時許多基於MOFs衍生的TMSs資料在半電池中表現出出色的效能,將來應該更多地考慮將它們用於SIBs的全電池的性能測試。
綜上所述,雖然基於MOFs衍生的TMSs資料結構多樣、成分多樣,作為SIBs的負極資料受到了越來越多的關注並取得了令人矚目的進展,但實現產業化和商業化還有很長的路要走。
文章連結
MOFs-derived transition metal sulfide composites for advanced sodium ion batteries
https://authors.elsevier.com/c/1dIyz8Z1RXwHEe
原文刊載於【科學資料站】公眾號
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