物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (12): 2007075.doi: 10.3866/PKU.WHXB202007075
收稿日期:
2020-07-26
录用日期:
2020-08-18
发布日期:
2020-08-24
通讯作者:
李园园,刘金平
E-mail:liyynano@hust.edu.cn;liujp@whut.edu.cn
作者简介:
李园园,华中科技大学光学与电子信息学院副教授,出生于1982年。2009年于华中师范大学获得博士学位,2018年在澳大利亚伍伦贡大学进行访学研究。当前主要研究方向为纳米结构材料的制备及其在电化学储能领域(超级电容器和电池)的应用基金资助:
Yao Chen1, Haoyang Dong1, Yuanyuan Li2,*(), Jinping Liu1,*(
)
Received:
2020-07-26
Accepted:
2020-08-18
Published:
2020-08-24
Contact:
Yuanyuan Li,Jinping Liu
E-mail:liyynano@hust.edu.cn;liujp@whut.edu.cn
About author:
Email: liujp@whut.edu.cn (J.L.)Supported by:
摘要:
钠离子电池具有钠资源储量丰富、成本低以及安全系数高等优点,在大规模储能、新能源汽车和柔性/可穿戴电子领域中显示出巨大的潜力。然而,钠离子较大的离子半径会造成电极电化学反应动力学缓慢、材料体积变化大等问题,因此开发有利于钠离子嵌入/脱出、稳定性强和容量高的电极材料至关重要。相比于传统的粉末涂覆电极,无粘结剂的三维阵列电极在形成连续的电子传输通道、促进电解液渗透和缩短离子扩散路径等方面更具优势。本文综述了单质、过渡金属氧化物、硫化物、磷化物和钛酸盐等阵列负极材料在钠离子电池中的最新研究进展。重点介绍了各类阵列负极的制备方法、结构/形貌特点和储钠性能,最后对钠离子电池阵列化电极未来的机遇和挑战进行了展望。
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图9
(a) SnS2/CC纳米片阵列的SEM图64;(b) SnS2/CC和SnS2的倍率性能图64;(c) SnS2/CC在2 A·g-1下的循环性能图64;(d) TiO2@SnS2@N-C纳米片阵列的合成过程示意图67;TiO2@SnS2@N-C的(e,f) SEM和(g) HRTEM图67;(h)纳米蜂窝状SnS/SnS2@CC阵列的合成制备过程;(i) SnS/SnS2@CC在1 A·g-1下的循环性能图68;(j) 3D多孔导电碳泡沫(3DCF)表面直接生长氮掺杂的石墨烯量子点(NGQDs)修饰的WS2纳米片阵列(NGQDs-WS2/3DCF)的合成过程示意图70;(k) NGQDs-WS2/3DCF、WS2/3DCF和3DCF在200 mA·g-1下的循环性能图70"
图10
CoP@PPy NWs/CP的(a) SEM、(b) TEM和(c) HRTEM图74;(d) CoP@PPy NWs/CP在1.5 mA·cm-2下的循环性能74;Ni2P Ns/CC阵列的(e) SEM和(f) 在0.2 A·g-1下的循环性能图75;(g) FeP NAs/CC的SEM图和(h)在0.2 A·g-1下的循环性能图76;CPNWs阵列的(i)合成和脱嵌钠过程示意图78;CPNWs阵列的(j) SEM图、(k) FESEM图、(l) STEM和元素分析图78;CPNWs的(m)倍率性能图78;CPNWs在(n) 500 mA·g-1和(o) 1000 mA·g-1下的循环性能图78"
图11
(a) CTs、(b) Na2Ti3O7/CTs和(c) Na2Ti3O7@N-GQDs/CTs的SEM图82;Na2Ti3O7@N-GQDs/CTs-20和Na2Ti3O7/CTs的(d)倍率性能图和(e)循环性能图82;(f)全电池在正常状态和卷曲状态下驱动模型飞机上的小电机的和两个LED灯的光学照片82;(g) Na2Ti2O5@Ti纳米片阵列的SEM图84;(h) Na2Ti2O5@Ti电极在0.12C倍率下在醚类和酯类电解液中的充放电曲线84;Na2Ti2O5纳米片在(i)醚类和(j)酯类电解液中完全放电后的HRTEM图84;Na2Ti2O5@Ti在醚类和酯类电解液中的(k)倍率性能图和(l)循环性能图84"
表1
不同阵列负极材料的合成方法、集流体、载量和电化学性能对比"
Material type | Array material | Synthetic methods | Substrate | Mass loading (mg·cm-2) | Initial coulombic efficiency (%) | Reversible capacity (mAh·g-1)/current density (mA·g-1) | Cycle performance (initial capacity (mAh·g-1)/retention (%)) | Ref. |
Metal | Bi nanosheets | Hydrothermal | Carbon fiber cloth | 1.2 | 61.2 | 120/2000 | 325/74 | |
Bi nanoflakes | Replacement | Ni foam | 0.8–1.5 | 90 | 206.4/2000 | 340/89 | ||
Sb prisms | Electrodeposition and annealing | Cu foil | 0.43 | 84 | 409/5C | 542/91 | ||
Co-Ge nanowires | Hydrothermal and RF-sputtering | Cu foil | – | 72.3 | 183.7/2000 | 547/64 | ||
Metal oxide | P-TiO2 nanotubes | Electrochemical anodization and phosphorylation | Ti foil | 1.4 ± 0.02 | 59 | 147/3350 | 150/94 | |
TiO2 nanotubes | Hydrothermal and ALD | Carbon cloth | 0.9 | 63.4 | 200/0.5C | 290/90 | ||
S-doped TiO2 nanotubes | Electrochemical anodization and annealing | Ti fiber | – | – | 142/80 | 125/79 | ||
α-Fe2O3 nanorods | Hydrothermal | Carbon cloth | 1.7 | 52.5 | 110/1000 | 210/119 | ||
S-Fe2O3 nanotubes | Electrochemical anodization and sulfurization | Fe foil | 0.4 | 83 | 390/5000 | 403/91 | ||
N-Fe2O3-x nanorods | Hydrothermal and ammonia annealing | Carbon cloth | 1.7 | 87 | 365/5000 | 750/85 | ||
TiO2 regulated CuO nanowires | Electrochemical anodization and ALD | Cu foam | 6.0 | 55 | 180/3000 | 190/82 | ||
N-doped carbon coated CuO array | Radio-frequency magnetron sputtering | Cu net | 1.8 | 65 | 268.8/500 | 267/81 | ||
CuO nanowires | One-step room temperature solution approach | Cu foil | 1.5 | 88.6 | 238/200 | 352/100 | ||
Co3O4 nanosheets | Thermal reduction and electrodeposition | Ni foam | 1.23 | 94 | 397/2000 | 844/89.7 | ||
ZnO-Co3O4 nanosheets | Solvothermal | Carbon cloth | 1.5–1.7 | 41.2 | 205.5/2000 | 370/72 | ||
Metal sulfide | MoS2 nanosheets | Hydrothermal | Carbon fiber cloth | 1.5 | – | 176/3000 | 413/82 | |
MoS2 nanosheets | Hydrothermal | Carbon fiber | 1.5 | 54 | 225/1000 | 362/91.2 | ||
CC@CN@MoS2 nanosheets | Thermal treatment and hydrothermal | Carbon cloth | 1.0 | 52 | 235/2000 | 352/73.5 | ||
Fe2O3@C@MoS2 | Solvothermal and hydrothermal | Carbon fiber cloth | 1.0 | 77.6 | 1211.3/100 | 900/88.9 | ||
NiCo2S4@MoS2 core/shell arrays | Hydrothermal | Carbon textile | 0.8 | 66.2 | 155/6400 | 209/75.5 | ||
Metal sulfide | 1T MoS2 array | Solvothermal | Carbon cloth | 2.1 | 77.7 | 276/2000 | 989/58.2 | |
SnS2 nanowall arrays | PSE-CVD | Stainless steel | 0.3 | 75 | 370/5000 | 580/87.9 | ||
SnS2 nanosheets | Hydrothermal | Carbon cloth | 1.3–1.9 | 32.8 | 647.9/2000 | 770.3/87.4 | ||
Metal sulfide | SnS2@rGF nanosheets | Hydrothermal and sulfurization reactions | Reduced graphene fiber | 1.0–1.5 | 71.3 | 400/1000 | 706/71 | |
Co-SnS2 nanosheets | Hydrothermal | Carbon cloth | 1.3–1.9 | 57.4 | 809.3/2000 | 809.3/98.9 | ||
TiO2@SnS2@N-C nanosheets | Hydrothermal and ALD | Carbon cloth | 1.0 | 64.2 | 152/10000 | 360/81.4 | ||
SnS2/NiS2 nanosheets | Solvothermal | Carbon cloth | 2.2 | 70.7 | 360/5000 | 540/63.6 | ||
SnS/SnS2 nanosheets | Solvothermal | Carbon cloth | 0.95 | 75 | 100/5000 | 490/61 | ||
NGQDs-WS2 nanosheets | Solvothermal and electrophoresis | Melamine foam | – | 63.7 | 211.4/5000 | 404/97.1 | ||
WS2 platelets thin film | Sputtering | Al foil | 1.02 | 72 | 103.8/5000 | 369/83.3 | ||
Metal phosphide | CoP4 microwires | Hydrothermal and situ phosphorization | Carbon felt | 5.01 | 53 | 535/4000 | 647/90 | |
CoP@PPy nanowires | Hydrothermal and polymerization | Carbon paper | 1.8 | 69.06 | 0.285 mAh·cm-2/ 3 mA·cm-2 | 0.443/100 | ||
Ni2P nanosheets | Hydrothermal and conversion | Carbon cloth | 1.7 | 42.9 | 68/2000 | 443/90 | ||
FeP nanorod arrays | Hydrothermal and phosphorization | Carbon cloth | 0.9 | 55.7 | 184/2000 | 250/44 | ||
FeP nanorods | Hydrothermal and phosphorization | Ti foil | 0.2–0.5 | 48.7 | 196.2/2000 | 300/69.2 | ||
Cu3P nanowires | Situ growth and phosphorization | Cu foil | 0.2–0.4 | 80.6 | 137.8/5000 | 195/68.8 | ||
Titanate | Na2Ti2O5 nanosheet | Hydrothermal | Ti foil | 0.88 | 91 | 88/2400 | 125/96 | |
H2Ti2O4(OH)2 nanowires | Hydrothermal and protonation process | Ti foil | 1.3 | 61 | 50/10000 | 75/85 | ||
Na2Ti3O7@N-GQDs nanofibre arrays | Hydrothermal | Carbon textiles | 2.0 | 56.4 | 58/11328 | 162/92.5 | ||
Na2Ti3O7 nanosheets | Hydrothermal | Ni foam | – | 45.2 | 50.3/400 | 139.3/58.7 |
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