钠离子电池阵列化负极材料的研究进展

这是一篇关于钠离子电池阵列化负极材料的研究进展的思维导图，主要内容包括：总结与展望，钠离子电池阵列化负极材料，背景。

钠离子电池阵列化负极材料的研究进展

• 背景
  • 随着科技的迅猛发展，柔性可穿戴电子产品成为新潮流，对柔性电池的需求日益增长。锂离子电池因能量密度高、环境友好、无记忆效应，广泛应用于众多领域，但传统锂离子电池无法柔性折叠，其电极制备需涂覆在不耐折叠弯曲的金属集流体上，限制了电池形状。因此，开发柔性电极成为实现锂离子电池柔性可折叠的关键，这为 纳米纤维负极的研究提供了背景和契机。
• 钠离子电池阵列化负极材料
  • 金属单质
    • 材料特点：主要集中在元素周期表的第四、第五主族，如Sn、Sb、Bi等，储钠机理以合金反应为主，理论比容量高，但充放电过程中材料体积膨胀严重。
    • 性能表现：通过制备阵列结构，如Bi纳米片阵列、Sb棱柱阵列、Co-Ge纳米线阵列等，有效缓解了体积膨胀问题，提高了储钠性能，在不同电流密度下展现出较好的可逆容量和循环稳定性。
  • 过渡金属氧化物
    • 钛基氧化物
      • 材料特点：结构稳定、工作电压合理、成本低、环境友好，但本征导电性差、嵌钠反应动力学缓慢。
      • 性能表现：采取结构调控、表面功能化、体相掺杂等措施，如制备磷化TiO₂（P-TiO₂）纳米管阵列、硫掺杂TiO₂（S-TiO₂）自支撑纳米管阵列等，显著提高了Na⁺存储能力、倍率性能和循环稳定性，部分阵列电极还展现出良好的柔韧性，适用于柔性电子器件。
    • 铁基氧化物
      • 材料特点：具有高可逆比容量，但用于钠离子电池负极时，因Na⁺半径较大，反应活性不高，且伴随大的体积膨胀。
      • 性能表现：构筑纳米阵列电极，如α-Fe₂O₃纳米棒阵列、S掺杂Fe₂O₃（S-Fe₂O₃）纳米管阵列、双掺杂赤铁矿纳米阵列等，有效提高了活性，缓冲了体积变化，改善了循环稳定性，部分电极展现出高可逆容量、优越的倍率性能和高保持率，在柔性储能领域具有应用潜力。
    • 铜基氧化物
      • 材料特点：为典型的转化反应类型材料，可逆理论容量较高，但充放电过程中存在体积膨胀问题。
      • 性能表现：制备TiO₂修饰的CuO（R-CuO）纳米线阵列、表面包覆氮掺杂碳的CuO纳米棒阵列（NC-CuO）、一步室温溶液法制备CuO纳米线阵列等，解决了体积膨胀问题，展现出高可逆容量、高循环效率、良好的循环稳定性和倍率性能，部分全电池性能与锂离子电池相当。
    • 钴基氧化物
      • 材料特点：理论比容量高，但存在导电性差、离子扩散动力学缓慢、体积膨胀大等问题。
      • 性能表现：开发了多种纳米结构，如在集流体上原位生长的纳米阵列，如介孔Co₃O₄纳米片（Co₃O₄ NPA）原位生长在NF/rGO基底上形成的三维分层多孔氧化物阵列（Co₃O₄ NPA/NF/rGO），以及多组分材料如ZnO-Co₃O₄@CC异质结纳米片阵列等，实现了超高倍率和长循环稳定性，具有良好的电化学性能和机械柔性。
  • 硫化物
    • 钼基硫化物
      • 材料特点：二维层状材料，具有三明治状结构，层间范德华相互作用弱，本征层间距大，理论比容量较高，但存在层间聚集堆积、电子导电性差、活性位点少、多硫化物溶解等问题。
      • 性能表现：采用杂质原子掺杂、表面修饰、制备异质结构、相转变等方法优化，如制备自支撑MoS₂纳米片阵列、超薄MoS₂纳米片@金属有机框架衍生的N掺杂碳纳米墙杂化阵列（CC@CN@MoS₂）、含氧MoS₂纳米片阵列、α-Fe₂O₃和石墨碳修饰的MoS₂（Fe₂O₃@C@MoS₂/CFC）纳米片阵列、具有三维核壳复合纳米结构的NiCo₂S₄@MoS₂阵列材料、1T-MoS₂纳米片组成的空心纳米管阵列等，提高了容量、倍率性能和循环稳定性，部分电极在柔性电极方面具有应用潜力。
    • 锡基硫化物
      • 材料特点：理论比容量高，主要来源于转化反应和合金反应，但连续离子脱嵌过程中晶格体积膨胀大，影响倍率性能和循环性能。
      • 性能表现：通过形貌调控、制备纳米复合材料、多组分复合结构等策略改善性能，如制备具有独特纳米壁阵列结构的SnS₂、SnS₂纳米片（SnS₂/CC）阵列、超薄SnS₂纳米片（SnS₂@rGF）、Co掺杂SnS₂纳米片阵列、TiO₂@SnS₂@N-C三明治式阵列电极、纳米蜂窝状SnS/SnS₂纳米片（SnS/SnS₂@CC）阵列电极、SnS₂和NiS₂异质结构的纳米片阵列（SnS₂/NiS₂@CC）等，提高了可逆容量、倍率性能和循环寿命，部分电极在高电流密度下仍能保持较高容量，且具有良好的结构稳定性。
    • 其它硫化物
      • 性能表现：如制备氮掺杂的石墨烯量子点（NGQDs）修饰的WS₂纳米片复合阵列电极（NGQDs-WS₂/3DCF）、通过溅射技术构建垂直排列的WS₂薄片阵列并包覆碳层等，提高了容量和倍率性能，部分电极在高电流密度下循环后仍具有较高的可逆容量，且容量保持率高，为提高材料倍率性能提供了思路。
  • 磷化物
    • 材料特点：基于转化反应的金属磷化物（TMP）因高理论容量和较低储钠电位备受关注，但存在储钠过程中材料体积变化较大以及电子导电性差等问题。 - 性能表现：制备无粘结剂介孔金属磷化物纳米阵列，如CoP₄/CF、NiPₓ/CF等，结合了中孔结构和三维导电网络的优点，展现出高可逆容量、超长循环寿命和优异倍率性能；生长聚吡咯（PPy）包覆的CoP纳米线阵列（CoP@PPy NWs/CP），具有快速电荷转移和缓解体积膨胀的双重特性，表现出高库伦效率和良好倍率性能；制备FeP纳米棒阵列（FeP NAs/CC、FeP NRs/Ti），均匀分布在基底上，适应材料体积变化，提高了离子扩散速率和循环稳定性，部分全电池具有较高能量密度；制备Cu₃P纳米线阵列（CPNWs），具有优异的倍率性能和循环稳定性，为纳米阵列负极材料开发提供了思路。
    • 性能表现：制备无粘结剂介孔金属磷化物纳米阵列，如CoP₄/CF、NiPₓ/CF等，结合了中孔结构和三维导电网络的优点，展现出高可逆容量、超长循环寿命和优异倍率性能；生长聚吡咯（PPy）包覆的CoP纳米线阵列（CoP@PPy NWs/CP），具有快速电荷转移和缓解体积膨胀的双重特性，表现出高库伦效率和良好倍率性能；制备FeP纳米棒阵列（FeP NAs/CC、FeP NRs/Ti），均匀分布在基底上，适应材料体积变化，提高了离子扩散速率和循环稳定性，部分全电池具有较高能量密度；制备Cu₃P纳米线阵列（CPNWs），具有优异的倍率性能和循环稳定性，为纳米阵列负极材料开发提供了思路。
  • 钛酸盐
    • 材料特点：具有层状结构的钛酸盐，如Na₂Ti₂O₅和Na₂Ti₃O₇，因成本低、电压平台低、层间距大等优势受关注，但存在电子导电率差、离子扩散速率慢以及首圈库伦效率较低等问题。
    • 性能表现：通过形貌调控、碳包覆/复合、元素掺杂及优化晶体结构等策略提高电化学性能，如制备N掺杂石墨烯量子点（N-GQD）修饰的Na₂Ti₃O₇纳米纤维阵列（Na₂Ti₃O₇@N-GQDs/CTs）、在泡沫镍上原位生长Na₂Ti₃O₇纳米片（Na₂Ti₃O₇@NF）、研究醚类电解液与无粘结剂阵列结构对Na₂Ti₂O₅纳米片阵列的协同作用、通过质子化过程制备H₂Ti₂O₄(OH)₂（HTO）纳米线阵列等，提高了容量、倍率性能、循环寿命和首圈库伦效率，部分柔性全电池可提供较高能量密度和功率密度，部分电极在醚类电解液中表现出优异性能
• 总结与展望
  • 总结
    • 钠离子电池具有成本低廉、资源丰富、环境友好等优点，是一种极具发展前景的储能器件。负极材料作为钠离子电池的重要组成部分，在一定程度上影响着整个体系的综合性能。对于具有较高比容量的合金型和转化型负极材料而言，这类材料体积膨胀问题依然严重，在短期内难以得到实际应用，还需要通过设计合适的微纳结构、表面包覆/修饰、体相掺杂以及设计异质结构等优化策略构建多组分复合阵列电极，以此来解决电极结构的稳定性。
  • 展望
    • 从负极阵列化到正极阵列化