Trans Tianjin Univ |钠/钾离子电池用锑基负极的新进展

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文章信息

Bochao Chen, Ming Liang, Qingzhao Wu, Shan Zhu, Naiqin Zhao, Chunnian He. Recent Developments of Antimony-Based Anodes for Sodium and Potassium Ion Batteries. Trans Tianjin Univ, 2021: https://doi.org/10.1007/s12209-021-00304-9

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https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-021-00304-9

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本文亮点

1.从成分选择、制备工艺、结构特征和储能行为等方面系统地介绍应用于SIBs和PIBs的Sb基负极材料的最新研究进展，范围包括从金属Sb到Sb氧化物，Sb硫化物、硒化物到Sb基合金等。

2. 列举了相应的实例，说明Sb基负极材料不同合成方法的优缺点。

3. 总结了开发钠/钾离子电池用Sb基负极材料所面临的挑战。

4. 提出了未来的研究方向，为相关的研究提供理论指导。

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内容简介

锂离子电池（LIBs）自1991年商业应用以来，已经渗透到人们生活的方方面面，但是锂资源的存储已经无法满足日益增长的锂需求。近年来，钠离子（SIBs）和钾离子电池（PIBs）由于具有与LIBs相同的反应机理，同时钠、钾资源丰富、性价比高，因此得到了人们的广泛关注并发展迅速。锑（Sb）因其理论容量高，工作电压合适，成本低，在SIBs、PIBs的发展中起重要作用。然而，Sb基负极材料在充放电过程中存在体积变化大、电荷转移弱的缺点，导致电池的循环稳定性差、容量衰减快。近年来，许多研究策略和各种种类Sb基材料都被用于解决这些缺点。本综述从成分选择、制备工艺、结构特征和储能行为等方面系统地介绍了近年来用于SIBs和PIBs的多种Sb基负极的研究进展，从金属Sb到Sb氧化物，Sb硫化物、硒化物再到Sb合金。对于每部分，提出Sb基负极材料研究中面临的问题，并通过材料的结构和电化学性能来讨论这些改进措施的有效性。此外，还列举了相应的实例，说明Sb基负极材料不同合成方法的优缺点。最后，总结了开发钠/钾离子电池用锑基负极材料所面临的机遇和挑战，并为未来Sb基负极材料的研究提供理论指导。

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图文导读

图1 (a) 地球上的元素含量分布，(b)基于合金化反应机理的各种材料的理论容量，(c) SIBs 中 Sb 基负极的破坏机理。经参考文献[21]许可转载。Copyright 2017, IOP Publishing

图2 SIBs和PIBs中所研究的锑基材料的种类和改性策略

图3 (a)受控还原选择性去除嵌入Sb蛋黄壳结构的形成过程，(b)Sb@C蛋黄壳结构3D重建的TEM图和截图，(c) Sb@C蛋黄壳结构相应的速率和循环性能，(d)钠化后Sb@C蛋黄壳结构的原位TEM图。经参考文献[43]许可转载。Copyright 2017, Elsevier

图4  (a) 空心Sb球的EDS图，(b) 空心Sb球的倍率能力，经参考文献[48]许可转载。Copyright 2017, American Chemical Society. (c) Sb HPs@OCB 的TEM图。经参考文献[52]许可转载。Copyright 2019, John Wiley & Sons, Inc

图5 (a) Sb嵌入碳化硅（SiOC）复合材料的TEM图和EDS图，(b) Sb嵌入SiOC复合材料在0.001和2 V之间的相应循环性能，(c) Sb嵌入SiOC电极材料的倍率性能，(d) Sb嵌入SiOC电极材料在电流密度分别为0.5、1 和 2 C 时的循环性能。经参考文献[54]许可转载。Copyright 2017, John Wiley & Sons, Inc

图6 (a)封装在N/S共掺杂碳骨架中Sb纳米棒复合材料的TEM图和EDS图。经参考文献[58]许可转载。Copyright 2019, American Chemical Society. (b) 核壳结构Cu@Sb纳米线阵列的SEM和TEM图以及EDS图。经参考文献[60]许可转载。Copyright 2019, John Wiley & Sons, Inc. (c) 直接生长在Cu基板上的自支撑 Sb棱柱体阵列的SEM和TEM图，(d) 自支撑Sb棱柱体阵列在0.5 C下的相应循环性能。经参考文献[61许可转载。Copyright 2019, John Wiley & Sons, Inc

图7 (a) 固定在还原氧化石墨烯 (Sb₂O₄/RGO)上的Sb₂O₄纳米棒的TEM图和EDS图，(b) Sb纳米棒复合材料在50 mA/g下的循环性能。经参考文献[81]许可转载。Copyright 2017, Elsevier. (c) 3D多孔Sb/Sb₂O₃负极材料的SEM和TEM图，(d) 3D多孔Sb/Sb₂O₃电极材料在66 mA/g电流密度下的相应循环性能。经参考文献[85]许可转载。Copyright 2015, John Wiley & Sons, Inc

图8 (a) 碳包覆的单壳空心球Sb₂S₃ SEM、TEM图和EDS图。经参考文献[100]许可转载。Copyright 2018, Elsevier. (b) 中空多壳Sb₂S₃极材料的TEM图和EDS图。经参考文献[104]许可转载。Copyright 2019, Elsevier. (c) Sb₂S₃多壁碳纳米管复合材料的SEM和TEM图。经参考文献[105]许可转载。Copyright 2017, Elsevier

图9 (a) 纳米结构 Sb₂S₃与S掺杂石墨烯片复合SEM、TEM图和EDS图。经参考文献[106]许可转载。Copyright 2016, American Chemical Society. (b)嵌入Sb₂S₃ 的硅-氧-碳 (Si-O-C) 纳米纤维的TEM图和EDS图。经参考文献[107] 许可转载。Copyright 2019, Elsevier. (c) 嵌入Sb₂S₃的无定形磷/碳框架的TEM图和EDS图，(d)在0.05~2 A/g不同电流密度下嵌入Sb₂S₃的无定形磷/碳框架的倍率能力。经参考文献[95]许可转载。Copyright 2016, Elsevier

图10 (a) Sb₂S₅-GO 分散体水热还原后的照片以及相应的切片，(b) 3D多孔Sb₂S₅-GF-8 复合材料SEM图和EDS图，3D多孔Sb₂S₅-GF-8 复合材料在 0.1~10 A/g 不同电流密度下的倍率性能。经参考文献[19]许可转载。Copyright 2017, American Chemical Society. (c) Sb₂Se₃超长纳米线基膜的正视和侧视图、SEM和TEM图，(d) Sb₂Se₃超长纳米线基膜在电流密度100 mA/g下循环性能和库仑效率。经参考文献[111]许可转载。Copyright 2016, American Chemical Society

图11 (a) 3D NiSb金属间空心纳米球的SEM和TEM图，(b) 3D NiSb金属间空心纳米球电极材料在 0.1~15 C不同电流密度下的倍率性能。经参考文献[122]许可转载。Copyright 2015, Elsevier. (c) SnSb合金纳米粒子与RGO(RGO-SnSb) 复合材料SEM和TEM图，(d) RGO-SnSb 复合材料在 0.1~30 C不同电流密度下的倍率能力。经参考文献[123]许可转载。Copyright 2015, American Chemical Society. (e) 自支撑N掺杂碳纳米纤维封装CoSb纳米颗粒的SEM、TEM图和EDS图，(f) 自支撑N掺杂碳纳米纤维封装CoSb纳米颗粒复合材料在0.1~2 A/g不同电流密度下的相应倍率性能。经参考文献[124]许可转载。Copyright 2013, Royal Society of Chemistry

图12  (a) Sb@CNFs 合成过程示意图，不同放大倍数下Sb@CNFs的SEM图和TEM图及其相应性能：200 mA/g下的循环和1000 mA/g 的长期循环。经参考文献[145]许可转载。Copyright 2020, John Wiley & Sons, Inc. (b)电解质分析和界面模型的示意图。经参考文献[143]许可转载。Copyright 2021, John Wiley & Sons, Inc

图13 Sb@Sb₂O₃@N-3DCHs复合材料制备过程中形貌和结构演化过程示意图以及相应的Sb@Sb₂O₃@N-3DCHs复合材料的SEM和TEM图。经参考文献[141]许可转载。Copyright 2021, John Wiley & Sons, Inc

图14 (a) BiSb@C 复合材料合成过程示意图，(b) BiSb@C与二维多孔碳纳米片的SEM和TEM 图。经参考文献[139]许可转载。Copyright 2020, American Chemical Society. (c) 用于LIB的MSb@NPC（M = Ni、Co 或 Fe）复合材料的制备图示，(d) CoSb@NPC 复合材料的SEM和TEM图。经参考文献[140]许可转载。Copyright 2021, John Wiley & Sons, Inc

通讯作者简介

  朱  杉
2019年获得天津大学博士学位，现为赵乃勤教授课题组助理研究员。研究方向包括机器学习、纳米材料及其能源相关应用。             
    何   春   年
天津大学材料科学与工程学院教授。2008年获得天津大学博士学位，2016年美国麻省理工学院访问学者，主要研究方向为金属基复合材料和先进纳米材料。

Transactions of Tianjin University

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