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王志明/竇士學(xué)EnSM：用于先進(jìn)鈉硫系電池的纖維正極材料

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王志明/竇士學(xué)EnSM：用于先進(jìn)鈉硫系電池的纖維正極材料
具有快速電子/離子傳輸、長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)穩(wěn)定性、高容量和優(yōu)異倍率性能的纖維硫系正極材料的最新進(jìn)展為下一代高性能鈉離子存儲(chǔ)技術(shù)帶來(lái)了新的機(jī)遇。
電子科技大學(xué)王志明、澳大利亞臥龍崗大學(xué)竇士學(xué)等重點(diǎn)介紹了用于高級(jí)原型鈉硫電池的纖維正極材料的最新關(guān)鍵進(jìn)展，包括Na-S電池、Na-Se電池、Na-SexSy電池和Na-Te電池。
首先，詳細(xì)描述了纖維材料在組成、結(jié)構(gòu)和性能方面的基本優(yōu)勢(shì)，以概括對(duì)它們的認(rèn)識(shí)。接下來(lái)，定性地總結(jié)了纖維硫系正極材料的制備技術(shù)，重點(diǎn)討論了纖維基材。然后，從纖維正極材料的合理合成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、基本性能和電化學(xué)性能等方面對(duì)纖維正極材料在鈉硫系電池中的應(yīng)用進(jìn)行了全面的討論。最后，對(duì)先進(jìn)鈉硫系電池纖維正極材料的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)和展望，旨在提供有用的指導(dǎo)。
王志明/竇士學(xué)EnSM：用于先進(jìn)鈉硫系電池的纖維正極材料
作者指出鈉硫系電池中纖維正極材料未來(lái)發(fā)展的幾個(gè)重要方面：
（1）對(duì)于纖維基體，納米多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要合理化。目前，納米孔的創(chuàng)建旨在為硫族元素提供可用的容納空間，并限制其中間產(chǎn)物在（脫）鈉過(guò)程中的擴(kuò)散。在這方面，應(yīng)生成更多的納米空隙，以充分封裝更多活性材料。同時(shí)，納米孔隙的存在可以使活性材料與電解液離子有更充分的接觸，從而產(chǎn)生更好的比容量。然而，過(guò)多的納米孔容易導(dǎo)致整個(gè)電池的體積能量密度降低，因?yàn)檫@些孔容易被電解液填充，從而降低整個(gè)電極材料的振實(shí)密度，并加速活性材料的不可逆損失。
王志明/竇士學(xué)EnSM：用于先進(jìn)鈉硫系電池的纖維正極材料
圖1 碳納米管衍生的纖維基材
（2）纖維材料需要擴(kuò)展到鈉金屬負(fù)極。纖維材料的主要功能優(yōu)勢(shì)之一是能夠?qū)崿F(xiàn)柔性電池裝置。到目前為止，在鈉硫系電池中，纖維材料構(gòu)成的柔性電池的研究主要集中在硫系正極上，而關(guān)于纖維鈉金屬負(fù)極的報(bào)道很少。柔性和可折疊電池需要自支撐正極和負(fù)極材料作為其構(gòu)件。在未來(lái)幾年中，應(yīng)更多地關(guān)注纖維狀鈉金屬負(fù)極的合理結(jié)構(gòu)以及功能化設(shè)計(jì)策略，尤其是穩(wěn)定和堅(jiān)固的鈉金屬對(duì)電子/離子導(dǎo)電性、機(jī)械柔性、均勻分布的成核位置、安全考慮、壓力緩沖能力等。
王志明/竇士學(xué)EnSM：用于先進(jìn)鈉硫系電池的纖維正極材料
圖2 源自電紡納米纖維的各種納米結(jié)構(gòu)
（3） 應(yīng)進(jìn)一步探索鈉硫系化學(xué)的共識(shí)。雖然纖維材料的采用極大地推動(dòng)了鈉硫系電池性能的提高，但對(duì)其固有能量化學(xué)，包括電化學(xué)原理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、固體離子擴(kuò)散和界面問(wèn)題等，還沒有相對(duì)全面的了解。在這些鈉硫系化學(xué)中，迫切需要建立一些共識(shí)。因此，應(yīng)采用一些有用的表征方法和技術(shù)，包括非原位/原位XRD、Raman、TEM、XPS、GITT和密度泛函理論等，并適當(dāng)結(jié)合以幫助揭示內(nèi)在機(jī)理。
王志明/竇士學(xué)EnSM：用于先進(jìn)鈉硫系電池的纖維正極材料
圖3 纖維素衍生的纖維材料
（4） 需要對(duì)纖維材料進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)和評(píng)估，以擴(kuò)大應(yīng)用范圍。材料科學(xué)與工程的最終發(fā)展目標(biāo)應(yīng)該是為實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造實(shí)用價(jià)值。因此，鑒于纖維材料的優(yōu)越性能和硫族元素電極的高性能，應(yīng)開發(fā)先進(jìn)的制造技術(shù)，大規(guī)模、低成本地生產(chǎn)纖維硫族元素基材料，以促進(jìn)隨后電池裝置的商業(yè)化。
同時(shí)，這些材料在實(shí)用條件下的整體性能也必須在工業(yè)電池水平上進(jìn)行評(píng)估，如軟包電池，而不是目前實(shí)驗(yàn)室水平的紐扣電池。在這種情況下，可以理清電極材料規(guī)模化生產(chǎn)中存在的一些問(wèn)題，研究人員可以相應(yīng)地尋求高效的方法來(lái)解決這些問(wèn)題，從而促進(jìn)電極材料的逐步工業(yè)化。此外，還應(yīng)確定一些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，如工作溫度、電壓窗口、能量密度、電解液/硫系比、面積負(fù)載量等。
Fibrous cathode materials for advanced sodium-chalcogen batteries. Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.11.045

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