Tungsten综述文章：多价态钒基电池正极材料的研究进展与展望

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摘要

随着各种便携式电子器件的快速发展，寻求容量大、功率密度高、循环寿命长、成本低的锂离子电池电极材料备受期待。钒基氧/硫化物因其具有容量高、储量丰富，成本低等优点被认为是理想的下一代锂离子电池电极材料。然而，这类材料本身固有的低电导率和离子传输效率限制导致了它们难以获得实际应用。为了克服上述瓶颈问题，近年来通过多种纳米制造工艺，钒基电极材料被设计成各种纳米结构。然而，如何通过低成本、环保的工艺获得形态和结构可控的高性能钒基电极纳米电极材料仍然具有较大挑战。

近日，上海工程技术大学 张子英副教授团队在英文刊《Tungsten》上在线发表了标题为“多价态钒基电池正极材料的研究进展与展望”（Progress and perspective of vanadium‑based cathode materials for lithium ion batteries）的综述文章。该篇文章围绕目前纳米钒基锂离子电池正极材料的研究现状，讨论了纳米钒基锂离子电池正极材料的基本结构，合成工艺与改性机理。在文章的最后，作者总结了纳米钒基锂离子电池正极材料目前面临的挑战，并对其下一阶段的研究方向进行了展望。

图文详情

图1为几种纳米V₂O₅正极材料的结构与电化学性能，这些线型结构的密排纳米阵列具有更稳定的结构，更大的比表面积和更短的离子传输路径，从而提高了容量与循环性能。

图1.几种V₂O₅纳米正极材料的结构与电化学性能[1-3]

[1] Zhai TY, et al. Adv Mater. 2010;22(23):2547. [2] Mai LQ, et al.Nano Lett.2013;13(2):740. [3] Su DW, et al. ACS Nano. 2013;7(12):11218.

图2展示了两种不同合成方式制备的纳米V₂O₅正极材料的扫描电镜图片。采用火焰喷雾热解法可通过烧结工艺将V₂O₅纳米颗粒连接成链状团聚结构(图2(a))，提高了材料的抗应力稳定性，从而优化循环性能。通过静电喷雾沉积后退火的方式可制备一种多孔笼状结构纳米球(2(b))，这种多孔笼状结构可显著提高电解液渗透率，使离子传输更加便利，从而提高了V₂O₅正极材料的容量。

图2.两种不同方法合成的V₂O₅纳米正极材料的SEM照片[4-5]

[4] Ng SH, et al. Phys Chem Chem Phys. 2009;11(19):3748. [5] Wang SQ, et al. Energy Environ Sci. 2011;4(8):2854.

钒基过渡金属硫化物也是当前热门研究方向。如图3所示，再通过溶剂热法合成的VS_4-MWCNTs复合材料中，MWCNTs粒子不光嵌入VS₄纳米粒子中起到促进内电荷转移作用，还使得材料相互连接形成了一个导电网格，增强了相邻粒子之间的电荷转移。电化学性能测试表明，与纯VS₄材料相比，VS_4-MWCNTs复合材料的循环稳定性能与容量都得到了显著提升。这一研究也为钒基锂离子电池电极材料的开发扩充了新的思路。

图3.VS₄掺杂MWCNTs复合材料的SEM与TEM照片[6]

[6] Zhou YL, et al. Energy Stor Mater. 2017;6:149.

总结与展望

经过大量的研究报道证明，钒基锂离子电池正极材料由于其较大的理论容量，较高的工作电压和良好的循环性能，具有良好的应用前景。特别是三维纳米复合结构的钒基正极材料一定程度上解决了单纯钒基正极材料在充放电循环过程中出现的体积膨胀问题，优化了锂离子传输性能，显著提高了电极的导电性与循环性能。

但是，考虑到储能装置的大规模应用以及市场对锂离子电池性能的要求日益提高，钒基锂离子电池正极材料仍有几个问题需要解决：（1）为保证材料适应更加复杂的工况环境，应该进一步开发导热能力更加优秀的多维纳米钒基正极材料，以避免由于体积和温度变化以及锂枝晶的析出而导致的事故；（2）循环性能仍是电极材料面对的一个重要问题，随着锂离子的插入和脱嵌，钒基正极材料的电导率由于结构的变化而降低，从而导致电池充放电效率降低，进一步开发具有高循环稳定性的纳米正极材料具有重要意义；（3）需要开发一种新型、简单、环保、低成本的钒基纳米材料及其复合材料的合成方法，以解决钒基纳米正极材料的大规模制备难题，使钒基锂离子电池正极材料在能源储存领域得到进一步发展和利用。

引用

Zhou YY, Zhang ZY*, Zhang HZ, Li Y, Weng Y.Progress and perspective of vanadium‑based cathode materials for lithium ionbatteries. Tungsten. 2021; 3(3): 279.

全文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00101-w

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内容为【钨科技英文 Tungsten】公众号原创，供稿人：张子英。

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专刊介绍

作者简介

张子英

张子英，2013年6毕业于复旦大学材料科学系物理电子学专业，获博士学位。2013年9月至今在上海工程技术大学材料科学系任教。主要从事纳米能源材料的微电行为、人工晶体材料结构和物性的理论研究和计算模拟、金属结构材料及其焊件的腐蚀与防护等相关领域的研究工作。近年来先后在国内外专业刊物以第一作者或通讯作者身份发表被SCI收录论文20余篇，先后主持上海自然科学基金课题和横向课题各一项,参与国家自然科学基金4项。

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