Adv. Mater. 前瞻：电“激”氧化与还原，纳米多晶“舞”神拳- 大数跨境

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Adv. Mater. 前瞻：电“激”氧化与还原，纳米多晶“舞”神拳

科学材料站

2021-01-04

导读：该文章总结了现在当前多晶性工程在各种先进电池里面的应用，包括金属离子电池，金属-空气电池和金属-硫电池，指明了当前研究面临的挑战以及未来的研究方向。

文章信息

纳米多晶工程助力氧化还原电极用于可充电电池

第一作者：梅俊，王金凯

通讯作者：孙子其*，殷宗友*，

单位：澳大利亚昆士兰科技大学，澳大利亚国立大学

研究背景

近年来，纳米多晶性（NPM）在储能领域，尤其是可充电电池，引起了很多关注。在各种可充电电池的充放电过程中，包括金属离子电池，金属-空气电池和金属-硫电池，多晶相的组成和演化过程扮演着至关重要的角色，决定着电极材料的电化学性能，控制着电化学过程中的氧化还原转化，是影响电池性能的核心部分。

该综述首先讨论了纳米多晶性工程在可充电电池中的研究意义。随后系统性总结了针对不同类型可再充电电池氧化还原电极中的多晶化调制策略。主要目的是展示纳米多晶性是如何调节电极材料性能，影响氧化还原过程，从而改善每种电池类型的电化学活性。

我们希望通过对材料的多多晶性和电化学性能进行分析可以帮助确定某些潜在的“合成-结构-性能”关系用于未来的材料设计以及电池性能增强。最后也讨论了当前的研究挑战和潜在的研究方向，为纳米多晶性工程的未来研究提供一些有益的引导。

文章简介

近日，来自澳大利亚昆士兰科技大学的孙子其课题组和澳大利亚国立大学的殷宗友课题组合作在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Nano Polymorphism-Enabled Redox Electrodes for Rechargeable Batteries”的综述文章。

该文章总结了现在当前多晶性工程在各种先进电池里面的应用，包括金属离子电池，金属-空气电池和金属-硫电池，指明了当前研究面临的挑战以及未来的研究方向。

图1. 纳米多晶工程用于不同电池系统的氧化还原体系。

本文要点

要点一：纳米多晶性的研究意义

多晶性是指固体材料形成一个以上晶相的能力，它是很多材料（例如聚合物，矿物和金属）所具备的特征，丰富了固体材料的功能用于各种应用。当材料的结构尺寸减小到纳米级时，高的表面纵横比会产生额外的工程调控空间，从而使纳米材料表现出丰富的多晶性特征。

近年来，纳米多晶性（NPM）已成为能量存储领域中的一个重要课题，并且有望在识别功能材料的“合成-结构-性质”关系中发挥重要作用，用于未来材料设计与电池性能增强。

对于电极材料来说，导致电池倍率容量和循环稳定性降低的主要原因可以归纳为：

i）电极材料的不可逆结构相变，通常伴随着过渡金属离子的迁移；

ii）由金属离子的反复嵌入和脱嵌而引起的不可逆的体积变化；

iii）由枝晶生长，相溶解和潜在的副反应而导致活性物质不可逆的损失；

iv）由不可逆的氧损失而引起的氧空位；

v）与电解质有关的的不可逆反应，例如电解质在高工作电压或高速率下的分解。

这些问题大多数涉及到目标电极材料的多晶性，特别是在特定的电解质系统中的物相的多晶转变过程。因此，对电极材料多晶态的深入研究有利于揭示相变过程，同时也是发现解决不可逆相变问题所需的相调制策略的先决条件。

通常，两种常见的调控策略包括进促进可逆相变和抑制不可逆相变。提高氧化还原多晶态的可逆性可以有效的提高电池性能，例如复杂的相转换以及相演化过程。总之，纳米多晶工程从相尺寸，形状和组成的角度提供新的功能特性调控战略用于提高电池的电化学性能，因此对可再充电电池的研究具有重要意义。

要点二：纳米多晶工程用于还原电极

本节中详细介绍几种代表性的还原电极中的纳米多晶化工程，包括锂电（例如锂过渡金属氧化物，富锂层状氧化物，过渡金属氧化物和氟化物），钠电（例如化学取代和钠化度控制），钾电（例如P2型过渡金属氧化物和P3型层状金属氧化物），锌电（例如锰基氧化物，钒基化合物和MXene），铝电（例如金属氧化物，硫化物和碳材料），空气电极（例如氧电极，氮电极和二氧化碳电极）和硫电极（例如锂-硫和钠-硫电池）。

考虑到金属-空气电池中氧电极极的复杂条件，不同类型的金属-氧气电池（例如锂-氧电池和钠-氧电池）单独进行了分析。

要点三：纳米多晶工程用于氧化电极

本节中详细介绍几种代表性的氧化电极中的纳米多晶化工程，包括锂电（例如硅和氧化物），钠电（例如过渡金属硫化物，磷基和铋基材料）以及钾电（例如硫化物和氧化物）。

要点四：当前挑战与研究方向

可充电电池中的纳米多晶工程通常是通过离子取代，异质掺杂，组份优化和形态设计来实现的。

总体而言，氧化还原电极的多晶工程相对复杂，因为大多数电极对外部因素非常敏感，例如电解质系统，测试条件（例如放电速率和电压窗口），表面形貌和颗粒尺寸。

近年来，先进的检测技术（例如同步辐照）的发展使得电极材料多晶态方面取得了较大的进展，但是直观的识别多相转变过程以及有效识别循环过程中的潜在中间相依然是一个挑战。因此，未来应进一步研究电极材料与多晶性相关的特定存储机制，并且有必要进行更多研究以揭示充放电过程中的相演化过程。

文章链接

Nano Polymorphism-Enabled Redox Electrodes for Rechargeable Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004920

通讯作者介绍

孙子其教授

2009年博士毕业于中科院金属所，随后在日本国立材料研究所和澳大利亚卧龙岗大学从事博士后研究工作。2015年加入昆士兰科技大学，现为化学与物理学院教授。研究方向为金属氧化物以及仿生纳米材料在可持续能源与环境中的应用。截至目前，在Nature Nanotechnology, Nature Communications., Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Nano Today, ACS Nano 等学术刊物上发表论文120多篇。目前担任《Sustainable Materials & Technology》主编和《Surface Innovation》副主编以及《Journal of Materials Research》《Journal of Materials Science and Technology》《Nano Materials Science》等杂志编委。

殷宗友教授

于新加坡南洋理工大学获得博士学位后，先后在南洋理工大学，新加坡科技研究局，麻省理工学院，哈佛大学进行了他的博士后生涯。殷老师于2017年在澳大利亚国立大学成立了自己的研究小组，现为化学院副教授。该小组的研究侧重于材料科学和应用，涵盖材料-结构-器件之间的基本关联，和多种材料的协同集成，以追求和开发新型能源和可穿戴系统。至今，殷老师拥有10个国际专利，在国际知名学术刊物上发表论文130多篇，包括Nature Energy, Science Advances, Nature Communications., Chemical Society Reviews, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, and Accounts of Chemical Research 等学术刊物。自2015年至今，Yin老师连续六年一直是全球高引学者。

第一作者介绍

梅俊博士

2019年博士毕业于昆士兰科技大学后留校任教，担任材料科学中心研究员。研究方向为先进纳米结构的设计用于能源存储与绿色催化，截止目前，在Progress in Materials Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Energy Storage Materials, National Science Review 等知名期刊发表论文28篇，现任澳大利亚智能能源协会高级会员以及《Frontiers in Energy Research》等12本杂志编委。

王金凯，西安交通大学博士在读研究生

于2019年起在澳大利亚国立大学殷老师课题组交流学习。研究方向为新型纳米材料结构设计及其储能应用，迄今已在Advanced Materials, Small, Journal of Materials Chemistry A等知名期刊发表论文10篇。