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1 简介
包括电容器和电池在内的电化学储能(EES)装置系统已经广泛应用于电动汽车(EVs),智能电网和便携式电子设备等领域,并有助于应对全球范围内的气候变化以及从传统化石燃料向可再生能源逐步转变所带来的挑战。在各种类型的EES系统中,锂离子电池(LIBs)由于其比能量密度高,自放电低,记忆效应低等特点,已经成为便携式电子设备和电动车的主要电源。然而,当前锂离子电池的性能仍然不能满足人们对电池日益增长的需求。为了实现长寿命和长距离电力供应,要求锂离子电池的能量密度更高,重量更轻,寿命更长,成本更低,以及在安全性更高。而这些问题大多与电极材料的性能有关。因此,开发高性能电极材料以期望提高锂储存性能一直是研究热点之一。
近年来,由一个或几个原子单层(或单元)组成的二维(2D)纳米材料材料引起了人们的高度关注。它们具有独特的表面形貌与优异的物理和化学性质,比如较好的化学活性,优异的机械强度,极大的比表面积等。除了最早开始研究的石墨烯,各种类石墨烯纳米材料也被报道,比如硼烯,硅烯,锗烯,砷烯,锑烯,磷化烯,六方氮化硼,氮化碳,金属氧化物,金属硫化物,金属氢氧化物,共价有机骨架(COF),金属-有机骨架(MOFs),MXene等。其中,三种代表性的二维材料,石墨烯,过渡金属氧化物(TMO)和过渡金属二硫化物(TMD),被广泛研究用于锂离子电池中的电极材料。二维纳米材料的发展为清洁能源装置的研发和应对全球能源需求带来的挑战提供了极大的机遇。
尽管二维材料用于锂离子电池有着诸多优势,但直接使用二维纳米材料还面临许多挑战。首先,二维纳米材料的表面惰性引发较低的界面相容性,较低的电子或离子传导性,较长的扩散路径和较慢的化学反应速率。其次,虽然二维纳米材料具有高的理论比表面积,但是由于在材料加工或器件制造过程中这些片状的纳米材料会重新聚集从而导致活性位点的丢失。第三,大多数金属氧化物或者硫化物具有较低的电导率,而且在多次充放电循环之后会发生较明显的体积变化。因此,在实际锂电池的应用中,这将导致较大的不可逆容量,较低的初始库仑效率以及较快的容量衰退。为了应对这些挑战,三种调控战略,即导电基体杂化,边缘或表面功能化和结构优化,被证明是提高锂离子电池的电化学性能的有效手段。
图1 锂离子扩散和转移途径的示意图和二维纳米材料的三大调控策略
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