重磅！昆士蘭科技大學孫子其課題組AM綜述：二維金屬氧化物納米材料用于可充電電池

【引言】

自從石墨烯被發現以來，二維材料的發展日新月異，制備技術和應用領域都不斷拓寬延伸，主要是因為這種納米級別的片層狀材料擁有許多與眾不同的特異性質。其中，二維金屬氧化物納米材料具有較好的穩定性，較高的化學活性界面，較短的離子傳輸距離以及優異的電子傳輸動力學，使其在可充電電池領域大顯身手。近年來，有關二維金屬氧化物的原創性研究越來越多。日前，澳大利亞昆士蘭科技大學大學孫子其課題組在《Advanced Materials》發表綜述文章“Two-Dimensional Metal Oxide Nanomaterials for Next-Generation Rechargeable Batteries”（通訊作者為孫子其博士，第一作者為博士生梅俊）。該綜述文章共分為四個部分。首先總結了二維金屬氧化物納米材料的制備方法以及最新進展。然后簡述了常見可充電電池的儲能機理，包括鋰離子電池，鈉離子電池，鋰硫電池，鋰空電池。 接著詳細綜述了常見的幾種二維金屬氧化物納米材料的制備以及在各種電池領域的應用。最后，鮮明指出二維金屬氧化物納米材料在實際應用中遇到的挑戰以及未來發展的可行性路徑。

綜述導覽圖

1. 二維金屬氧化物的制備策略

獲得二維金屬氧化物納米片的方法主要分為兩種，即“自上而下”法和“自下而上”法。其中前一種方法主要是指剝離法（比如液相剝離和熱剝離等），該方法比較簡單，獲得的產物結晶度比較高，但質量分布不均，不可用于沒有對應的非層狀前驅體的金屬氧化物；后者主要是自組裝方法，產率相對比較高，產品質量比較均一，適合大規模批量制備，但工藝相對復雜，對溶液反應要求比較高。

圖一 二維金屬氧化物的合成策略

2. 下一代可充電電池機理

該部分論述了常見的四種電池的儲能機理，指出了每一種電池的優勢與面對的挑戰。鋰離子電池是研究最廣泛的電池，和鈉離子電池的存儲機制基本一樣。但鈉的來源豐富，但鈉的離子半徑比較大，充放電的過程比較慢。鋰氧電池的關鍵在于高效率的催化劑的研究開發，金屬氧化物在鋰硫電池中的作用之一是有效阻止聚硫化物的溶解。

圖二 鋰離子電池，鈉離子電池，鋰氧電池和鋰硫電池示意圖

3. 二維金屬氧化物在電池中的應用

該部分詳細綜述了常見二維金屬氧化物制備的前世今生以及在電池中展現出的電化學性質，包括六種常見的二元金屬氧化物，即釩氧化物，鈷氧化物，錫氧化物，鎳氧化物，錳氧化物和鐵氧化物，以及其他三元或者異質金屬氧化物。

3.1 釩氧化物

釩氧化物可以通過“自下而上”和“自上而下”的方法得到，但可控的合成依然是一大挑戰，而且目前大部分利用釩氧化物做電極材料的鋰離子電池的比電容仍然低于200 mA h g^-1.

圖三 釩氧化物的制備電化學性能

3.2 鈷氧化物

四氧化三鈷是非常有前景的鋰離子電池和鈉離子電池的電極材料，在很多報道中實際儲存鋰離子的比電容甚至高于理論比電容（890 mA h g^-1），而且也可以作為高效催化劑用于鋰氧電池。通過與石墨烯進行層層復合，電化學性能會進一步提升。

圖四 鈷氧化物的制備與電化學性能

3.3 錫氧化物

對于二氧化錫和一氧化錫用于鋰離子電池電極材料來說，可逆比電容分別高于500 和400 mA h g^-1，但跟其理論比電容相比仍有一定的上升空間。而用于鈉離子電池的研究則相對較少。

圖五 錫氧化物的制備與電化學性能

3.4 鎳氧化物

氧化鎳納米片可以通過由其氫氧化鈷前驅體轉變得到。對于鋰離子電池來說，比電容最高可以高達1200 mA h g^-1，但對于鈉離子電池來說，比電容依然低于300 mA h g^-1。

圖六 鎳氧化物的制備與電化學性能

3.5 錳氧化物

二氧化錳具有很高的理論比電容，化合價態變化豐富，而且成本比較低，實際報道的比電容可以高達1690 mA h g^-1，但最大的挑戰就是導電率比較低。

圖七 錳氧化物的制備與電化學性能

3.6 鐵氧化物

三氧化二鐵納米片的制備目前主要依靠“由下而上”法，作為鋰離子電池來說，理論比電容約為1006 mA h g^-1? 但目前循環性能依然難以讓人滿意。

圖八 鐵氧化物的制備與電化學性能

3.7 其他類別

此外，二維金屬氧化物納米材料還包括其他一些二元氧化物（比如三氧化二鉻，氧化銅，二氧化鈦，氧化鋅等），許多三元金屬氧化物（比如鎳鈷氧，鋰鈷氧，鈉錳氧等）以及他們的雜化或者異質結構。

4. 結論與展望

該部分給出了二維金屬氧化物制備所面臨的挑戰（比如導電性能差，納米材料自聚以及可控制備），同時指出了幾個可行性策略（比如和導電材料復合）。這些將會極大的推動二維材料的進一步發展，同時也為可充電電池的下一步研究奠定基礎。

文獻鏈接：Two-Dimensional Metal Oxide Nanomaterials for Next-Generation Rechargeable Batteries?(Adv. Mater. 2017, 10.1002/adma.201700176)

本文由澳大利亞昆士蘭科技大學大學孫子其課題組梅俊博士投稿，材料牛整理編輯。材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

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