UBC刘健教授，ESM 综述：基于碲(Tellurium)的可充电电池中的材料设计及电化学机理研究分析- 大数跨境

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UBC刘健教授，ESM 综述：基于碲(Tellurium)的可充电电池中的材料设计及电化学机理研究分析

科学材料站

2021-05-25

导读：该文章总结了锂碲(Li-Te) 电池不同电解液体系下的电化学反应机理，对不同结构的碲电极材料进行了分类讨论

文章信息

基于碲(Tellurium)的可充电电池中的材料设计及电化学机理研究汇总

第一作者：张悦

通讯作者：刘健

单位：加拿大英属哥伦比亚大学

研究背景

传统的锂硫和锂硒电池性能受制于电极材料较低的导电率，相比之下碲(Tellurium)具有更优的导电性能和相近的体积比容量，因此基于碲的可充电电池有望成为下一代高能量密度储能设备。

目前，碲基电池仍在早期发展阶段，碲作为电极材料引发的体积膨胀问题急需解决，相关的电化学反应机理和全电池性能测试评估仍需要不断研究改进。

文章简介

基于此，来自加拿大英属哥伦比亚大学的刘健教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Materials Design and Fundamental Understanding of Tellurium-based Electrochemistry for Rechargeable Batteries”的文章。

该文章总结了锂碲(Li-Te) 电池不同电解液体系下的电化学反应机理，对不同结构的碲电极材料进行了分类讨论，同时还梳理了Na/K/Mg/Zn/Al-Te电池体系的研究进展。最后，文章对基于碲的可充电电池的现阶段问题及解决方案进行了探讨，有助于促进以碲为电极材料的高能量密度电池的研究及实际应用。

本文要点

要点一：碲电极结构设计

在锂碲电池放电反应过程中，Te会转变为Li2Te，同时伴随显著的体积膨胀，长期运行会造成电极材料脱落，从而导致电池容量下降及寿命衰减。

为解决这一问题，常见的一种方法是将Te嵌在多孔材料（如多孔碳）中抑制体积膨胀，提高材料电化学及结构稳定性。这种方法制备的正极材料通常还需要添加导电剂和粘结剂，大大降低了电池的能量密度。

另一种电极结构是合成 Te nanowires，纳米结构的Te会大大缩短锂离子及电子传输路径，加快反应动力学，但这种结构同样伴随体积膨胀问题，性能有待进一步提高。此外，TexSy复合电极近来受到关注，相比S电极，Te的加入会加速锂离子迁移，提高电化学反应动力学，进而明显改善电池倍率性能。

要点二：不同电解液条件下反应机理

锂碲电池的反应机理与电解液密切相关。在酯类电解液中，Te到Li2Te的转变主要为单步固固反应；而在醚类电解液中会有多碲化物生成导致穿梭效应，从而降低电池容量；在DMSO基电解液中，电池放电平台>2V，与锂硫电池放电电压接近，进一步说明锂碲电池有望实现高能量密度。

此外，以PEO为基体的固态电解质已成功应用在固态锂碲电池已有报道，相关的机理未来仍需更多研究。

要点三：不同metal-Te电池体系能量密度

考虑到锂资源的稀有及不均匀分布，低成本的Na/K/Mg/Zn/Al有望取代Li实现大规模储能。本文比较了Na/K/Mg/Zn/Al-Te各电池体系的反应机理，存在的主要问题，并对电池的比容量，电压，能量密度进行了讨论分析。

要点四：前瞻

基于碲的可充电电池有望成为下一代高能量密度储能设备，未来需在以下几方面开展更多研究：

电极结构设计（特别是TexSy），解决材料体积膨胀问题，同时通过减少导电剂及粘结剂等方法提高材料的面容量；
固态电池的开发，解决电池安全性问题；
加快推进碲材料回收技术，减少其他材料设备成本，从而减少基于碲的可充电电池的成本；
当前对metal-Te及TexSy电极的了解和研究仍然有限，电池测试主要针对coin cell和半电池，因此相应的电池评估具有一定局限性，未来需要更多的研究以实现产业化应用。
此外，为更好的理解相应的电化学反应机理，未来需要更多的原位测试及计算仿真投入。

本文链接

Materials Design and Fundamental Understanding of Tellurium-based Electrochemistry for Rechargeable Batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.05.011

通讯作者介绍

刘健教授。

2013年在加拿大西安大略大学获得博士学位，博士师从孙学良院士，随后在Lawrence Berkeley National Laboratory和Pacific Northwest National Laboratory从事博士后研究工作。2017年加入加拿大英属哥伦比亚大学，现为工程学院助理教授。主要研究方向包括纳米材料技术，锂离子电池材料设计及固态电池的界面修饰。至今已在Nature Communication, Nature Energy, Advanced Materials, Nano Letters，Chemical Society Review, Journal of Materials Chemistry A， Chemical Communications等学术刊物上发表100余篇研究论文。刘教授已获得UBC Principal’s Research Chair in Energy Storage Technologies, Emerging Professor Award，MITACS Elevate Postdoctoral Fellowship， NSERC Postdoctoral Fellowship， Chinese Government Award for Outstanding Self-Financed Students Abroad 等多项荣誉。

第一作者介绍

张悦，2019年获得上海交通大学硕士学位，现在加拿大英属哥伦比亚大学刘健教授课题组攻读博士学位，研究方向为基于碲的固态电池的电极材料设计及界面优化。

课题组介绍

UBC能源储存课题组（http://nesc.ok.ubc.ca/）长期从事于新型纳米材料用于能源转换和储存领域的研究，尤其是发展了先进的ALD技术和分子层沉积（MLD）技术，应用于燃料电池、锂电池及金属空气电池的表界面修饰，同时结合其他表界面表征手段，如同步辐射、原位电镜等，深入探讨新能源材料各种表界面改性的作用机理。

课题组招聘

Postdoctoral Fellow in Supercapacitor Technology，https://www.postdocs.ubc.ca/ad/54974