聚阴离子型钠离子电池正极材料的研究进展

潘雯丽 关文浩 姜银珠

引用本文: 潘雯丽, 关文浩, 姜银珠. 聚阴离子型钠离子电池正极材料的研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(5): 190501. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905017 shu
Citation:  Pan Wenli, Guan Wenhao, Jiang Yinzhu. Research Advances in Polyanion-Type Cathodes for Sodium-Ion Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(5): 190501. doi: 10.3866/PKU.WHXB201905017 shu

聚阴离子型钠离子电池正极材料的研究进展

    作者简介:

    姜银珠,浙江大学教授,1983年出生。1998–2007年在中国科学技术大学本硕博学习,2007–2010年分别在亚申科技研发中心、英国Heriot-Watt大学、德国Bielefeld大学从事研究工作,2010年起加入浙江大学。主要从事电化学储能材料与器件研究;
    通讯作者: 姜银珠, yzjiang@zju.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51722105)、浙江省自然科学基金(LR18B030001)和中央高校基本科研业务费(2018XZZX002-08)资助项目

摘要: 作为钠离子电池正极材料的体系之一,聚阴离子型化合物具有成本低廉和安全性高的优点,适合于大规模固定式储能系统。实时平衡电网电力供需水平对正极材料的倍率性能提出了更高的要求,而聚阴离子材料虽然存在离子扩散通道,但缺乏电子传输路径,导致其动力学性能不佳。为了挖掘影响聚阴离子型正极动力学性能的因素,本文以结构为基础,对影响聚阴离子正极离子扩散行为的本征原因作了阐述,再从表面修饰和形态设计入手,对目前研究较多的改善电极表面及界面处离子和电子扩散的策略作了总结与点评,然后从材料的分级结构回归到鲜见报导的元素掺杂和取代,从本质上提出优化动力学性能的方案,并展望了进一步提高正极材料倍率性能的方向。本文可为高倍率的聚阴离子型正极材料及其他材料的开发提供基本理论和实践依据。

English

    1. [1]

      Evans, A.; Strezov, V.; Evans, T. J. Renew. Sust. Energ. Rev. 2012, 16, 4141. doi: 10.1016/j.rser.2012.03.048

    2. [2]

      Liu, J.; Zhang, J. G.; Yang, Z.; Lemmon, J. P.; Imhoff, C.; Graff, G. L.; Li, L.; Hu, J.; Wang, C.; Xiao, J. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 929. doi: 10.1002/adfm.201200690

    3. [3]

      Ellis, B. L.; Nazar, L. F. Curr. Opin. Solid State Mat. Sci. 2012, 16, 168. doi: 10.1016/j.cossms.2012.04.002

    4. [4]

      Xiang, X.; Zhang, K.; Chen, J. Adv. Mater. 2015, 27, 5343. doi: 10.1002/adma.201501527

    5. [5]

      Guo, S. P.; Li, J. C.; Xu, Q. T.; Ma, Z.; Xue, H. G. J. Power Sources 2017, 361, 285. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.07.002

    6. [6]

      Wang, P. F.; You, Y.; Yin, Y. X.; Guo, Y. G. Adv. Energy Mater. 2018, 8. doi: 10.1002/aenm.201701912

    7. [7]

      Jiang, Y.; Yu, S.; Wang, B.; Li, Y.; Sun, W.; Lu, Y.; Yan, M.; Song, B.; Dou, S. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 5315. doi: 10.1002/adfm.201600747

    8. [8]

      Wang, B.; Han, Y.; Wang, X.; Bahlawane, N.; Pan, H.; Yan, M.; Jiang, Y. iScience 2018, 3, 110. doi: 10.1016/j.isci.2018.04.008

    9. [9]

      Barpanda, P.; Lander, L.; Nishimura, S. I.; Yamada, A. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1703055. doi: 10.1002/aenm.201703055

    10. [10]

      Masquelier, C.; Croguennec, L. Chem. Rev. 2013, 113, 6552. doi: 10.1021/cr3001862

    11. [11]

      Yabuuchi, N.; Kubota, K.; Dahbi, M.; Komaba, S. Chem. Rev. 2014, 114, 11636. doi: 10.1021/cr500192f

    12. [12]

      Ouyang, X.; Lei, M.; Shi, S.; Luo, C.; Liu, D.; Jiang, D.; Ye, Z.; Lei, M. J. Alloy. Compd. 2009, 476, 462. doi: 10.1016/j.jallcom.2008.09.028

    13. [13]

      Balke, N.; Jesse, S.; Morozovska, A.; Eliseev, E.; Chung, D.; Kim, Y.; Adamczyk, L.; Garcia, R.; Dudney, N.; Kalinin, S. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 749. doi: 10.1038/nnano.2010.174

    14. [14]

      Padhi, A. K.; Nanjundaswamy, K. S.; Goodenough, J. B. J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 1188. doi: 10.1149/1.1837571

    15. [15]

      Yamada, A.; Chung, S. C.; Hinokuma, K. J. Electrochem. Soc. 2001, 148, A224. doi: 10.1149/1.1348257

    16. [16]

      Huang, H.; Yin, S. C.; Nazar, L. S. Electrochem. Solid State Lett. 2001, 4, A170. doi: 10.1149/1.1396695

    17. [17]

      Oh, S. M.; Myung, S. T.; Hassoun, J.; Scrosati, B.; Sun, Y. K. Electrochem. Commun. 2012, 22, 149. doi: 10.1016/j.elecom.2012.06.014

    18. [18]

      Zhu, Y.; Xu, Y.; Liu, Y.; Luo, C.; Wang, C. Nanoscale 2013, 5, 780. doi: 10.1039/C2NR32758A

    19. [19]

      Casas-Cabanas, M.; Roddatis, V. V.; Saurel, D.; Kubiak, P.; Carretero-González, J.; Palomares, V.; Serras, P.; Rojo, T. J. Mater. Chem. 2012, 22, 17421. doi: 10.1039/C2JM33639A

    20. [20]

      Kim, J.; Seo, D. H.; Kim, H.; Park, I.; Yoo, J. K.; Jung, S. K.; Park, Y. U.; Goddard III, W. A.; Kang, K. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 540. doi: 10.1039/C4EE03215B

    21. [21]

      Barpanda, P.; Ye, T.; Lu, J.; Yamada, Y.; Chung, S. C.; Nishimura, S.; Okubo, M.; Zhou, H.; Yamada, A. ECS Trans. 2013, 50, 71. doi: 10.1149/05024.0071ecst

    22. [22]

      Barpanda, P.; Liu, G.; Ling, C. D.; Tamaru, M.; Avdeev, M.; Chung, S. C.; Yamada, Y.; Yamada, A. Chem. Mat. 2013, 25, 3480. doi: 10.1021/cm401657c

    23. [23]

      Kim, H.; Park, C. S.; Choi, J. W.; Jung, Y. Angew. Chem. Int. Edit. 2016, 55, 6662. doi: 10.1002/anie.201601022

    24. [24]

      Gopalakrishnan, J.; Rangan, K. K. Chem. Mat. 1992, 4, 745. doi: 10.1021/cm00022a001

    25. [25]

      Lim, S. Y.; Kim, H.; Shakoor, R.; Jung, Y.; Choi, J. W. J. Electrochem. Soc. 2012, 159, A1393. doi: 10.1149/2.015209jes

    26. [26]

      Jian, Z.; Yuan, C.; Han, W.; Lu, X.; Gu, L.; Xi, X.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, W.; Chen, D. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 4265. doi: 10.1002/adfm.201400173

    27. [27]

      Zhu, C.; Song, K.; van Aken, P. A.; Maier, J.; Yu, Y. Nano Lett. 2014, 14, 2175. doi: 10.1021/nl500548a

    28. [28]

      Zhou, W.; Xue, L.; Lü, X.; Gao, H.; Li, Y.; Xin, S.; Fu, G.; Cui, Z.; Zhu, Y.; Goodenough, J. B. Nano Lett. 2016, 16, 7836. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04044

    29. [29]

      Gao, H.; Seymour, I. D.; Xin, S.; Xue, L.; Henkelman, G.; Goodenough, J. B. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 18192. doi: 10.1021/jacs.8b11388

    30. [30]

      Gover, R.; Bryan, A.; Burns, P.; Barker, J. Solid State Ion. 2006, 177, 1495. doi: 10.1016/j.ssi.2006.07.028

    31. [31]

      Serras, P.; Palomares, V.; Goñi, A.; de Muro, I. G.; Kubiak, P.; Lezama, L.; Rojo, T. J. Mater. Chem. 2012, 22, 22301. doi: 10.1039/c2jm35293a

    32. [32]

      Chen, M.; Hua, W.; Xiao, J.; Cortie, D.; Chen, W.; Wang, E.; Hu, Z.; Gu, Q.; Wang, X.; Indris, S. Nat. Commun. 2019, 10, 1480. doi: 10.1038/s41467-019-09170-5

    33. [33]

      Kee, Y.; Dimov, N.; Staykov, A.; Okada, S. Mater. Chem. Phys. 2016, 171, 45. doi: 10.1016/j.matchemphys.2016.01.033

    34. [34]

      Li, S.; Guo, J.; Ye, Z.; Zhao, X.; Wu, S.; Mi, J. X.; Wang, C. Z.; Gong, Z.; McDonald, M. J.; Zhu, Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 17233. doi: 10.1021/acsami.6b03969

    35. [35]

      Guan, W.; Pan, B.; Zhou, P.; Mi, J.; Zhang, D.; Xu, J.; Jiang, Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 22369. doi: 10.1021/acsami.7b02385

    36. [36]

      Chen, C. Y.; Matsumoto, K.; Nohira, T.; Hagiwara, R. Electrochem. Commun. 2014, 45, 63. doi: 10.1016/j.elecom.2014.05.017

    37. [37]

      Law, M.; Ramar, V.; Balaya, P. J. Power Sources 2017, 359, 277. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.05.069

    38. [38]

      Zhang, D.; Ding, Z.; Yang, Y.; Zhao, S.; Huang, Q.; Chen, C.; Chen, L.; Wei, W. Electrochim. Acta 2018, 269, 694. doi: 10.1016/j.electacta.2018.03.045

    39. [39]

      Treacher, J. C.; Wood, S. M.; Islam, M. S.; Kendrick, E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18, 32744. doi: 10.1039/c6cp06777h

    40. [40]

      Rangasamy, V. S.; Thayumanasundaram, S.; Locquet, J. P. Electrochim. Acta 2018, 276, 102. doi: 10.1016/j.electacta.2018.04.166

    41. [41]

      Reynaud, M.; Ati, M.; Boulineau, S.; Sougrati, M. T.; Melot, B. C.; Rousse, G.; Chotard, J. N.; Tarascon, J. M. ECS Trans. 2013, 50, 11. doi: 10.1149/05024.0011ecst

    42. [42]

      Barpanda, P.; Oyama, G.; Ling, C. D.; Yamada, A. Chem. Mat. 2014, 26, 1297. doi: 10.1021/cm4033226

    43. [43]

      Meng, Y.; Zhang, S.; Deng, C. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 4484. doi: 10.1039/c4ta06711h

    44. [44]

      Meng, Y.; Li, Q.; Yu, T.; Zhang, S.; Deng, C. CrystEngComm 2016, 18, 1645. doi: 10.1039/c5ce02046h

    45. [45]

      Reynaud, M.; Rousse, G.; Abakumov, A. M.; Sougrati, M. T.; Van Tendeloo, G.; Chotard, J. N.; Tarascon, J. M. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 2671. doi: 10.1039/c3ta13648e

    46. [46]

      Singh, P.; Shiva, K.; Celio, H.; Goodenough, J. B. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3000. doi: 10.1039/c5ee02274f

    47. [47]

      Yu, C. J.; Choe, S. H.; Ri, G. C.; Kim, S. C.; Ryo, H. S.; Kim, Y. J. Phys. Rev. Appl. 2017, 8, 024029. doi: 10.1103/PhysRevApplied.8.024029

    48. [48]

      Chong, X. Y.; Jiang, Y.; Feng, J. J. Micromech. Mol. Phys. 2017, 2, 1750002. doi: 10.1142/S2424913017500023

    49. [49]

      Barpanda, P.; Oyama, G.; Nishimura, S. I.; Chung, S. C.; Yamada, A. Nat. Commun. 2014, 5, 4358. doi: 10.1038/ncomms5358

    50. [50]

      Oyama, G.; Nishimura, S. I.; Suzuki, Y.; Okubo, M.; Yamada, A. ChemElectroChem 2015, 2, 1019. doi: 10.1002/celc.201500036

    51. [51]

      Meng, Y.; Yu, T.; Zhang, S.; Deng, C. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 1624. doi: 10.1039/c5ta07696j

    52. [52]

      Dwibedi, D.; Ling, C. D.; Araujo, R. B.; Chakraborty, S.; Duraisamy, S.; Munichandraiah, N.; Ahuja, R.; Barpanda, P. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 6982. doi: 10.1021/acsami.5b11302

    53. [53]

      Prosini, P. P.; Lisi, M.; Zane, D.; Pasquali, M. Solid State Ion. 2002, 148, 45. doi: 10.1016/S0167-2738(02)00134-0

    54. [54]

      Deiss, E. Electrochim. Acta 2005, 50, 2927. doi: 10.1016/j.electacta.2004.11.042

    55. [55]

      Yang, Z.; Feng, Y.; Li, Z.; Sang, S.; Zhou, Y.; Zeng, L. J. Electroanal. Chem. 2005, 580, 340. doi: 10.1016/j.jelechem.2005.04.004

    56. [56]

      Das, S.; Majumder, S.; Katiyar, R. J. Power Sources 2005, 139, 261. doi: 10.1016/j.jpowsour.2004.06.056

    57. [57]

      Longoni, G.; Wang, J. E.; Jung, Y. H.; Kim, D. K.; Mari, C. M.; Ruffo, R. J. Power Sources 2016, 302, 61. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.10.033

    58. [58]

      Li, G.; Jiang, D.; Wang, H.; Lan, X.; Zhong, H.; Jiang, Y. J. Power Sources 2014, 265, 325. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.04.054

    59. [59]

      Song, W.; Ji, X.; Wu, Z.; Yang, Y.; Zhou, Z.; Li, F.; Chen, Q.; Banks, C. E. J. Power Sources 2014, 256, 258. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.01.025

    60. [60]

      Deng, G.; Chao, D.; Guo, Y.; Chen, Z.; Wang, H.; Savilov, S. V.; Lin, J.; Shen, Z. X. Energy Storage Mater. 2016, 5, 198. doi: 10.1016/j.ensm.2016.07.007

    61. [61]

      Lu, J.; Yamada, A. ChemElectroChem 2016, 3, 902. doi: 10.1002/celc.201500535

    62. [62]

      Rahman, M. M.; Sultana, I.; Mateti, S.; Liu, J.; Sharma, N.; Chen, Y. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 16616. doi: 10.1039/C7TA04946C

    63. [63]

      Liu, Y.; Zhang, N.; Wang, F.; Liu, X.; Jiao, L.; Fan, L. Z. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1801917. doi: 10.1002/adfm.201801917

    64. [64]

      Ali, G.; Lee, J. H.; Susanto, D.; Choi, S. W.; Cho, B. W.; Nam, K. W.; Chung, K. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 15422. doi: 10.1016/j.elecom.2012.06.014

    65. [65]

      Barpanda, P.; Ye, T.; Nishimura, S. I.; Chung, S. C.; Yamada, Y.; Okubo, M.; Zhou, H.; Yamada, A. Electrochem. Commun. 2012, 24, 116. doi: 10.1021/acsami.6b04014

    66. [66]

      Jian, Z.; Zhao, L.; Pan, H.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, W.; Chen, L. Electrochem. Commun. 2012, 14, 86. doi: 10.1016/j.elecom.2011.11.009

    67. [67]

      Rui, X.; Sun, W.; Wu, C.; Yu, Y.; Yan, Q. Adv. Mater. 2015, 27, 6670. doi: 10.1002/adma.201502864

    68. [68]

      Liu, Q.; Meng, X.; Wei, Z.; Wang, D.; Gao, Y.; Wei, Y.; Du, F.; Chen, G. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 31709. doi: 10.1021/acsami.6b11372

    69. [69]

      Serras, P.; Palomares, V.; Kubiak, P.; Lezama, L.; Rojo, T. Electrochem. Commun. 2013, 34, 344. doi: 10.1016/j.elecom.2013.07.010

    70. [70]

      Ali, B.; Ghafoor, F.; Shahzad, M. I.; Shah, S. K.; Abbas, S. M. J. Power Sources 2018, 396, 467. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.06.049

    71. [71]

      Pan, W.; Guan, W.; Liu, S.; Xu, B. B.; Liang, C.; Pan, H.; Yan, M.; Jiang, Y. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13197. doi: 10.1039/C9TA02188D

    72. [72]

      Zhang, Y.; Xia, X.; Liu, B.; Deng, S.; Xie, D.; Liu, Q.; Wang, Y.; Wu, J.; Wang, X.; Tu, J. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803342. doi: 10.1002/aenm.201803342

    73. [73]

      Jung, Y. H.; Lim, C. H.; Kim, D. K. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 11350. doi: 10.1039/c3ta12116j

    74. [74]

      Zhang, J.; Yuan, T.; Wan, H.; Qian, J.; Ai, X.; Yang, H.; Cao, Y. Sci. China Chem. 2017, 60, 1546. doi: 10.1007/s11426-017-9125-y

    75. [75]

      Li, S.; Dong, Y.; Xu, L.; Xu, X.; He, L.; Mai, L. Adv. Mater. 2014, 26, 3545. doi: 10.1002/adma.201305522

    76. [76]

      Xu, Y.; Wei, Q.; Xu, C.; Li, Q.; An, Q.; Zhang, P.; Sheng, J.; Zhou, L.; Mai, L. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1600389. doi: 10.1002/aenm.201600389

    77. [77]

      An, Q.; Xiong, F.; Wei, Q.; Sheng, J.; He, L.; Ma, D.; Yao, Y.; Mai, L. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1401963. doi: 10.1002/aenm.201401963

    78. [78]

      Fang, Y.; Xiao, L.; Ai, X.; Cao, Y.; Yang, H. Adv. Mater. 2015, 27, 5895. doi: 10.1002/adma.201502018

    79. [79]

      Jiang, T.; Wei, Y.; Pan, W.; Li, Z.; Ming, X.; Chen, G.; Wang, C. J. Alloy. Compd. 2009, 488, L26. doi: 10.1016/j.jallcom.2009.08.134

    80. [80]

      Ni, J.; Zhang, L.; Fu, S.; Savilov, S.; Aldoshin, S.; Lu, L. Carbon 2015, 92, 15. doi: 10.1016/j.carbon.2015.02.047

    81. [81]

      李亚东, 邓玉峰, 潘智毅, 魏印平, 赵世玺, 干林.物理化学学报, 2017, 33, 2293. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705294Li, Y. D.; Deng, Y. F.; Pan, Z. Y.; Wei, Y. P.; Zhao, S. X.; Gan, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 2293. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705294

    82. [82]

      Zhang, S.; Gu, H.; Pan, H.; Yang, S.; Du, W.; Li, X.; Gao, M.; Liu, Y.; Zhu, M.; Ouyang, L. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601066. doi: 10.1002/aenm.201601066

    83. [83]

      Zhang, S.; Chen, J.; Tang, T.; Jiang, Y.; Chen, G.; Shao, Q.; Yan, C.; Zhu, T.; Gao, M.; Liu, Y. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 3610. doi: 10.1039/C7TA10887G

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  72
  • 文章访问数:  2293
  • HTML全文浏览量:  750
文章相关
  • 发布日期:  2020-05-15
  • 收稿日期:  2019-05-02
  • 接受日期:  2019-06-18
  • 修回日期:  2019-06-05
  • 网络出版日期:  2019-05-24
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章