注册
ISSN 1000-6818CN 11-1892/O6CODEN WHXUEU
物理化学学报 >> 2016,Vol.32>> Issue(5)>> 1062-1071     doi: 10.3866/PKU.WHXB201603231         English Abstract
下一代能源存储技术及其关键电极材料
杨泽, 张旺, 沈越, 袁利霞, 黄云辉
华中科技大学材料科学与工程学院, 材料成型与模具技术国家重点实验室, 武汉 43007
Full text: PDF (2187KB) HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS)

由于能源危机与环境问题,全球能源的消耗正逐渐从传统化石能源转向其它清洁高效能源。高效清洁能源的存储是电动汽车和智能电网的关键技术,对新能源、新材料和新能源汽车国家战略新兴产业的发展具有重要意义。锂离子电池是目前广泛应用的一种能源存储器件。电动汽车和智能电网对能量密度、功率密度、循环寿命和成本等方面的要求越来越高,传统的锂离子电池面临巨大挑战,发展下一代能源存储技术迫在眉睫。高能量密度的锂硫电池和锂空气电池,低成本、高安全性的室温钠离子电池受到了越来越多的关注。本文简要总结了近年来锂硫电池、锂空气电池和钠离子电池及其关键电极材料的研究进展,并对这些新型能源存储技术存在的问题和未来的前景做出了分析和展望。



关键词: 能源存储   锂硫电池   锂空气电池   钠离子电池  
收稿日期 2016-02-15 修回日期 2016-03-21 网出版日期 2016-03-23
通讯作者: 黄云辉 Email: huangyh@hust.edu.cn

基金资助: 国家自然科学基金(21273087,20803042)资助项目

引用文本: 杨泽, 张旺, 沈越, 袁利霞, 黄云辉. 下一代能源存储技术及其关键电极材料[J]. 物理化学学报, 2016,32(5): 1062-1071.
YANG Ze, ZHANG Wang, SHEN Yue, YUAN Li-Xia, HUANG Yun-Hui. Next-Generation Energy Storage Technologies and Their Key Electrode Materials[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2016, 32(5): 1062-1071.    doi: 10.3866/PKU.WHXB201603231

(1) Yu, H.; Zhou, H. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 1268. doi: 10.1021/jz400032v
(2) Manthiram, A.; Chemelewski, K.; Lee, E. S. Energ Environ. Sci. 2014, 7, 1339. doi: 10.1039/c3ee42981d
(3) Sun, Y. K.; Chen, Z. H.; Noh, H. J.; Lee, D. J.; Jung, H. G.; Ren, Y.; Wang, S.; Yoon, C. S.; Myung, S. T.; Amine, K. Nat. Mater. 2012, 11, 942. doi: 10.1038/nmat3435
(4) McDowell, M. T.; Lee, S.W.; Nix, W. D.; Cui, Y. Adv. Mater. 2013, 25, 4966. doi: 10.1002/adma.201301795
(5) Bruce, P. G.; Freunberger, S. A.; Hardwick, L. J.; Tarascon, J. M. Nat. Mater. 2012, 11, 19.
(6) Manthiram, A.; Fu, Y.; Chung, S. H.; Zu, C.; Su, Y. S. Chem. Rev. 2014, 114, 11751. doi: 10.1021/cr500062v
(7) Kim, H.; Hong, J.; Park, K. Y.; Kim, H.; Kim, S.W.; Kang, K. Chem. Rev. 2014, 114, 11788. doi: 10.1021/cr500232y
(8) Yao, Z. D.; Wei, W.; Wang, J. L.; Yang, J.; Nuli, Y. N. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 1005. [姚真东, 魏巍, 王久林, 杨军, 努丽燕娜. 物理化学学报, 2011, 27, 1005.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110345
(9) Ji, X.; Lee, K. T.; Nazar, L. F. Nat. Mater. 2009, 8, 500. doi: 10.1038/nmat2460
(10) Li, Z.; Huang, Y.; Yuan, L.; Hao, Z.; Huang, Y. Carbon 2015, 92, 41. doi: 10.1016/j.carbon.2015.03.008
(11) Li, W. Y.; Zheng, G. Y.; Yang, Y.; Seh, Z.W.; Liu, N.; Cui, Y. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, 7148. doi: 10.1073/pnas.1220992110
(12) Su, Y. S.; Fu, Y. Z.; Cochell, T.; Manthiram, A. Nat. Commun. 2013, 4, 2985. doi: 10.1038/ncomms3985
(13) Liang, X.; Hart, C.; Pang, Q.; Garsuch, A.; Weiss, T.; Nazar, L. F. Nat. Commun. 2015, 6, 5682. doi: 10.1038/ncomms6682
(14) Pang, Q.; Kundu, D.; Cuisinier, M.; Nazar, L. F. Nat. Commun. 2014, 5, 4759. doi: 10.1038/ncomms5759
(15) Tao, X.; Wang, J.; Ying, Z.; Cai, Q.; Zheng, G.; Gan, Y.; Huang, H.; Xia, Y.; Liang, C.; Zhang, W.; Cui, Y. Nano Lett. 2014, 14, 5288. doi: 10.1021/nl502331f
(16) Zhou, J.; Li, R.; Fan, X.; Chen, Y.; Han, R.; Li, W.; Zheng, J.; Wang, B.; Li, X. Energ. Environ. Sci. 2014, 7, 2715. doi: 10.1039/C4EE01382D
(17) Liang, X.; Garsuch, A.; Nazar, L. F. Angew. Chem. Int. Edit. 2015, 54, 3907. doi: 10.1002/anie.201410174
(18) Gao, J.; Lowe, M. A.; Kiya, Y.; Abruña, H. D. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 25132. doi: 10.1021/jp207714c
(19) Xin, S.; Gu, L.; Zhao, N. H.; Yin, Y. X.; Zhou, L. J.; Guo, Y. G.; Wan, L. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18510. doi: 10.1021/ja308170k
(20) Li, Z.; Yuan, L.; Yi, Z.; Sun, Y.; Liu, Y.; Jiang, Y.; Shen, Y.; Xin, Y.; Zhang, Z.; Huang, Y. Adv. Energy Mater. 2013, 4, 1301473. doi: 10.1002/aenm.201301473
(21) Wang, J.; He, Y. S.; Yang, J. Adv. Mater. 2015, 27, 569. doi: 10.1002/adma.v27.3
(22) Gao, J.; Abruña, H. D. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 882. doi: 10.1021/jz5001819
(23) Gallagher, K. G.; Goebel, S.; Greszler, T.; Mathias, M.; Oelerich, W.; Eroglu, D.; Srinivasan, V. Energ Environ. Sci. 2014, 7, 1555. doi: 10.1039/c3ee43870h
(24) Imanishi, N.; Luntz, A. C.; Bruce, P. The Lithium Air Battery-Fundamentals; Springer: New York, 2014; pp 94-101.
(25) Luntz, A. C.; McCloskey, B. D. Chem. Rev. 2014, 114, 11721. doi: 10.1021/cr500054y
(26) Johnson, L.; Li, C.; Liu, Z.; Chen, Y.; Freunberger, S. A.; Tarascon, J. M.; Ashok, P. C.; Praveen, B. B.; Dholakia, K.; Bruce, P. G. Nat. Chem. 2014, 6, 1091. doi: 10.1038/nchem.2101
(27) Aetukuri, N. B.; McCloskey, B. D.; Garcia, J. M.; Krupp, L. E.; Viswanathan, V.; Luntz, A. C. Nat. Chem. 2015, 7, 50. doi: 10.1038/NCHEM.2132
(28) Khetan, A.; Luntz, A.; Viswanathan, V. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 1254. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b00324
(29) Viswanathan, V.; Nørskov, J. K.; Speidel, A.; Scheffler, R.; Gowda, S.; Luntz, A. C. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 556. doi: 10.1021/jz400019y
(30) McCloskey, B. D.; Scheffler, R.; Speidel, A.; Bethune, D. S.; Shelby, R. M.; Luntz, A. C. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18038. doi: 10.1021/ja207229n
(31) Chen, Y.; Freunberger, S. A.; Peng, Z.; Fontaine, O.; Bruce, P. G. Nat. Chem. 2013, 5, 489. doi: 10.1038/nchem.1646
(32) Feng, N.; He, P.; Zhou, H. ChemSusChem 2015, 8, 600. doi: 10.1002/cssc.v8.4
(33) Noked, M.; Schroeder, M. A.; Pearse, A. J.; Rubloff, G.W.; Lee, S. B. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 211. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b02613
(34) Zhu, J.; Yang, D.; Yin, Z.; Yan, Q.; Zhang, H. Small 2014, 10, 3480. doi: 10.1002/smll.v10.17
(35) Xia, C.; Bender, C. L.; Bergner, B.; Peppler, K.; Janek, J. Electrochem. Commun. 2013, 26, 93. doi: 10.1016/j.elecom.2012.10.020
(36) Li, X.; Faghri, A. J. Electrochem. Soc. 2012, 159, A1747.
(37) Shui, J. L.; Okasinski, J. S.; Kenesei, P.; Dobbs, H. A.; Zhao, D.; Almer, J. D.; Liu, D. J. Nat. Commun. 2013, 4, 2255.
(38) Salkus, T.; Dindune, A.; Kanepe, Z.; Ronis, J.; Urcinskas, A.; Kezionis, A.; Orliukas, A. Solid State Ionics 2007, 178, 1282. doi: 10.1016/j.ssi.2007.07.002
(39) Bhargav, A.; Fu, Y. J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A1327.
(40) Hassoun, J.; Jung, H. G.; Lee, D. J.; Park, J. B.; Amine, K.; Sun, Y. K.; Scrosati, B. Nano Lett. 2012, 12, 5775. doi: 10.1021/nl303087j
(41) Wang, D.; Xiao, J.; Xu, W.; Zhang, J. G. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, A760.
(42) Li, X.; Huang, J.; Faghri, A. Energy 2015, 81, 489. doi: 10.1016/j.energy.2014.12.062
(43) Lim, H. K.; Lim, H. D.; Park, K. Y.; Seo, D. H.; Gwon, H.; Hong, J.; Goddard, I.W. A.; Kim, H.; Kang, K. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9733. doi: 10.1021/ja4016765
(44) Matsui, M.; Wada, A.; Matsuda, Y.; Yamamoto, O.; Takeda, Y.; Imanishi, N. Chem. Commun. 2015, 51, 3189. doi: 10.1039/C4CC09535A
(45) Whittingham, M. S. Prog. Solid State Chem. 1978, 12, 41. doi: 10.1016/0079-6786(78)90003-1
(46) Nagelberg, A. S.; Worrell, W. L. J. Solid State Chem. 1979, 29, 345.
(47) Palomares, V.; Serras, P.; Villaluenga, I.; Hueso, K. B.; Carretero-González, J.; Rojo, T. Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 5884. doi: 10.1039/c2ee02781j
(48) Larcher, D.; Tarascon, J. M. Nat. Chem. 2015, 7, 19.
(49) Jian, Z. L.; Yuan, C. C.; Han, W. Z.; Lu, X.; Gu, L.; Xi, X. K.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, W.; Chen, D. T.; Ikuhara, Y. C.; Chen, L. Q. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 4265. doi: 10.1002/adfm.v24.27
(50) Yabuuchi, N.; Kajiyama, M.; Iwatate, J.; Nishikawa, H.; Hitomi, S.; Okuyama, R.; Usui, R.; Yamada, Y.; Komaba, S. Nat. Mater. 2012, 11, 512. doi: 10.1038/nmat3309
(51) Mu, L. Q.; Xu, S. Y.; Li, Y. M.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, L. Q.; Huang, X. J. Adv. Mater. 2015, 27, 6928. doi: 10.1002/adma.201502449
(52) Yuan, D. D.; Liang, X. M.; Wu, L.; Cao, Y. L.; Ai, X. P.; Feng, J.W.; Yang, H. X. Adv. Mater. 2014, 26, 6301. doi: 10.1002/adma.201401946
(53) Yu, C. Y.; Park, J. S.; Jung, H. G.; Chung, K. Y.; Aurbach, D.; Sun, Y. K.; Myung, S. T. Energ. Environ. Sci. 2015, 8, 2019. doi: 10.1039/C5EE00695C
(54) Han, M. H.; Gonzalo, E.; Singh, G.; Rojo, T. Energ. Environ. Sci. 2015, 8, 81. doi: 10.1039/C4EE03192J
(55) Barpanda, P.; Oyama, G.; Nishimura, S.; Chung, S. C.; Yamada, A. Nat. Commun. 2014, 5, 4358. doi: 10.1038/ncomms5358
(56) Nazri, G. A.; Pistoia, G. Lithium Batteries: Science, Technology; Kluwer Academic: Boston, 2004; pp 453-455.
(57) Park, Y. U.; Seo, D. H.; Kwon, H. S.; Kim, B.; Kim, J.; Kim, H.; Kim, I.; Yoo, H. I.; Kang, K. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13870. doi: 10.1021/ja406016j
(58) Fang, Y. J.; Xiao, L. F.; Ai, X. P.; Cao, Y. L.; Yang, H. X. Adv. Mater. 2015, 27, 5895. doi: 10.1002/adma.201502018
(59) Qian, J. F.; Zhou, M.; Cao, Y. L.; Ai, X. P.; Yang, H. X. Adv. Energ. Mater. 2012, 2, 410. doi: 10.1002/aenm.v2.4
(60) Lee, H.W.; Wang, R. Y.; Pasta, M.; Lee, S.W.; Liu, N.; Cui, Y. Nat. Commun. 2014, 5, 5280. doi: 10.1038/ncomms6280
(61) Komaba, S.; Murata, W.; Ishikawa, T.; Yabuuchi, N.; Ozeki, T.; Nakayama, T.; Ogata, A.; Gotoh, K.; Fujiwara, K. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 3859. doi: 10.1002/adfm.v21.20
(62) Wen, Y.; He, K.; Zhu, Y. J.; Han, F. D.; Xu, Y. H.; Matsuda, I.; Ishii, Y.; Cumings, J.; Wang, C. Nat. Commun. 2014, 5, 4033.
(63) Cao, Y.; Xiao, L.; Sushko, M. L.; Wang, W.; Schwenzer, B.; Xiao, J.; Nie, Z.; Saraf, L. V.; Yang, Z.; Liu, J. Nano Lett. 2012, 12, 3783. doi: 10.1021/nl3016957
(64) Kim, Y.; Park, Y.; Choi, A.; Choi, N. S.; Kim, J.; Lee, J.; Ryu, J. H.; Oh, S. M.; Lee, K. T. Adv. Mater. 2013, 25, 3045. doi: 10.1002/adma.v25.22
(65) Qian, J. F.; Wu, X. Y.; Cao, Y. L.; Ai, X. P.; Yang, H. X. Angew. Chem. Int. Edit. 2013, 52, 4633. doi: 10.1002/anie.201209689
(66) Zhu, Y.; Wen, Y.; Fan, X.; Gao, T.; Han, F.; Luo, C.; Liou, S. C.; Wang, C. ACS Nano 2015, 9, 3254. doi: 10.1021/acsnano.5b00376
(67) Xiao, L.; Cao, Y.; Xiao, J.; Wang, W.; Kovarik, L.; Nie, Z.; Liu, J. Chem. Commun. 2012, 48, 3321. doi: 10.1039/c2cc17129e
(68) Wu, L.; Hu, X.; Qian, J.; Pei, F.; Wu, F.; Mao, R.; Ai, X.; Yang, H.; Cao, Y. Energ. Environ. Sci. 2014, 7, 323. doi: 10.1039/C3EE42944J
(69) Sun, J.; Lee, H.W.; Pasta, M.; Yuan, H.; Zheng, G.; Sun, Y.; Li, Y.; Cui, Y. Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 980. doi: 10.1038/nnano.2015.194
(70) Wang, S.W.; Wang, L. J.; Zhu, Z. Q.; Hu, Z.; Zhao, Q.; Chen, J. Angew. Chem. Int. Edit. 2014, 53, 5892. doi: 10.1002/anie.201400032
(71) Wang, C.; Xu, Y.; Fang, Y.; Zhou, M.; Liang, L.; Singh, S.; Zhao, H.; Schober, A.; Lei, Y. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3124. doi: 10.1021/jacs.5b00336
(72) Luo, W.; Allen, M.; Raju, V.; Ji, X. Adv. Energ. Mater. 2014, 4, 1400554. doi: 10.1002/aenm.201400554
(73) Yang, Z. G.; Zhang, J. L.; Kintner-Meyer, M. C.; Lu, X. H.; Choi, D.; Lemmon, J. P.; Liu, J. Chem. Rev. 2011, 111, 3577. doi: 10.1021/cr100290v
(74) Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J. M. Science 2011, 334, 928. doi: 10.1126/science.1212741

版权所有 © 2006-2016 物理化学学报编辑部
地址:北京大学化学学院 邮政编码:100871
服务热线:(010)62751724 传真:(010)62756388 Email:whxb@pku.edu.cn
^ Top