高性能双金属氧化物负极的理性设计及储锂特性

林学宇 王瑞琦 董武杰 黄富强

引用本文: 林学宇, 王瑞琦, 董武杰, 黄富强. 高性能双金属氧化物负极的理性设计及储锂特性[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3): 231100. doi: 10.3866/PKU.WHXB202311005 shu
Citation:  Xueyu Lin, Ruiqi Wang, Wujie Dong, Fuqiang Huang. Rational Design of Bimetallic Oxide Anodes for Superior Li+ Storage[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(3): 231100. doi: 10.3866/PKU.WHXB202311005 shu

高性能双金属氧化物负极的理性设计及储锂特性

    通讯作者: Email: wangruiqi@ucas.ac.cn (R.Q.); Email: huangfq@pku.edu.cn (F.Q.)
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22005006

摘要: 高能量密度、高功率密度的“双高”锂离子电池(LIBs)的实现依赖于创新突破高容量、高倍率及长循环寿命电极材料。插入型负极,以d0过渡金属氧化物为代表,含有强金属-氧键,表现出高循环稳定性和高倍率性能。然而,由于金属离子变价较少,其比容量相对较低。转化-合金型负极,以p区金属氧化物为代表,具备高理论比容量,但嵌锂过程中的相团聚和体积膨胀易导致容量快速衰减和倍率性能不佳。通过引入插入型或转化型功能基元构建双金属氧化物负极,可以优化电极中的电子/离子传导,从而改善循环性能和倍率性能,有望实现负极材料高容量、高倍率及长循环的统一。本文通过对各类金属氧化物中的化学键及电子结构特征进行分析,并提出一种新的图示表达方式,将负极锂离子插脱嵌的电化学反应储能过程表达为态密度(DOS)图示。文章阐述了双金属氧化物负极的多步储锂机制,并结合近期相关研究进展,为发展高容量、高倍率及高稳定的双金属化合物负极提供理论参考和实践依据。

English

    1. [1]

      Xie, L.; Tang, C.; Bi, Z.; Song, M.; Fan, Y.; Yan, C.; Li, X.; Su, F.; Zhang, Q.; Chen, C. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101650. doi: 10.1002/aenm.202101650

    2. [2]

      丁晓博, 黄倩晖, 熊训辉. 物理化学学报, 2022, 38, 2204057. doi: 10.3866/PKU.WHXB202204057Ding, X.; Huang, Q.; Xiong, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2204057. doi: 10.3866/PKU.WHXB202204057

    3. [3]

      Han, C.; He, Y. -B.; Wang, S.; Wang, C.; Du, H.; Qin, X.; Lin, Z.; Li, B.; Kang, F. ACS Appl. Mater. Interf. 2016, 8, 18788. doi: 10.1021/acsami.6b04239

    4. [4]

      Schmuch, R.; Wagner, R.; Hörpel, G.; Placke, T.; Winter, M. Nat. Energy 2018, 3, 267. doi: 10.1038/s41560-018-0107-2

    5. [5]

      Dong, C.; Dong, W.; Lin, X.; Zhao, Y.; Li, R.; Huang, F. EnergyChem 2020, 2, 100045. doi: 10.1016/j.enchem.2020.100045

    6. [6]

      Reddy, M. V.; Subba Rao, G.; Chowdari, B. Chem. Rev. 2013, 113, 5364. doi: 10.1021/cr3001884

    7. [7]

      Aravindan, V.; Lee, Y. S.; Madhavi, S. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1402225. doi: 10.1002/aenm.201402225

    8. [8]

      Ahmed, B.; Shahid, M.; Nagaraju, D. H.; Anjum, D. H.; Hedhili, M. N.; Alshareef, H. N. ACS Appl. Mater. Interf. 2015, 7, 13154. doi: 10.1021/acsami.5b03395

    9. [9]

      Chao, D.; Zhu, C.; Xia, X.; Liu, J.; Zhang, X.; Wang, J.; Liang, P.; Lin, J.; Zhang, H.; Shen, Z. X. Nano Lett. 2015, 15, 565. doi: 10.1021/nl504038s

    10. [10]

      Chen, Z.; Zhang, C.; Zhang, Z.; Li, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 13255. doi: 10.1039/c4cp00855c

    11. [11]

      Chernova, N. A.; Roppolo, M.; Dillon, A. C.; Whittingham, M. S. J. Mater. Chem. 2009, 19, 2526. doi: 10.1039/B819629J

    12. [12]

      Chiu, H. C.; Lu, X.; Zhou, J.; Gu, L.; Reid, J.; Gauvin, R.; Zaghib, K.; Demopoulos, G. P. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601825. doi: 10.1002/aenm.201601825

    13. [13]

      Come, J.; Augustyn, V.; Kim, J. W.; Rozier, P.; Taberna, P. -L.; Gogotsi, P.; Long, J. W.; Dunn, B.; Simon, P. J. Electrochem. Soc. 2014, 161, A718. doi: 10.1149/2.040405jes.

    14. [14]

      Ding, J.; Abbas, S. A.; Hanmandlu, C.; Lin, L.; Lai, C. -S.; Wang, P. -C.; Li, L. -J.; Chu, C. -W.; Chang, C. -C. J. Power Sources 2017, 348, 270. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.03.007

    15. [15]

      Hemalatha, K.; Prakash, A.; Guruprakash, K.; Jayakumar, M. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 1757. doi: 10.1039/C3TA13352D

    16. [16]

      Hou, C.; Wang, J.; Du, W.; Wang, J.; Du, Y.; Liu, C.; Zhang, J.; Hou, H.; Dang, F.; Zhao, L. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13460. doi: 10.1039/C9TA03551F

    17. [17]

      Li, T.; Nam, G.; Liu, K.; Wang, J. -H.; Zhao, B.; Ding, Y.; Soule, L.; Avdeev, M.; Luo, Z.; Zhang, W. Energy Environ. Sci. 2022, 15, 254. doi: 10.1039/D1EE02664J

    18. [18]

      Liu, H.; Wang, G.; Liu, J.; Qiao, S.; Ahn, H. J. Mater. Chem. 2011, 21, 3046. doi: 10.1039/C0JM03132A

    19. [19]

      Lou, S.; Cheng, X.; Wang, L.; Gao, J.; Li, Q.; Ma, Y.; Gao, Y.; Zuo, P.; Du, C.; Yin, G. J. Power Sources 2017, 361, 80. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.06.023

    20. [20]

      Lu, J.; Chen, Z.; Pan, F.; Cui, Y.; Amine, K. Electrochem. Energy Rev. 2018, 1, 35. doi: 10.1007/s41918-018-0001-4

    21. [21]

      Ren, H.; Yu, R.; Qi, J.; Zhang, L.; Jin, Q.; Wang, D. Adv. Mater. 2019, 31, 1805754. doi: 10.1002/adma.201805754

    22. [22]

      Sun, Y.; Wang, J.; Zhao, B.; Cai, R.; Ran, R.; Shao, Z. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 4736. doi: 10.1039/C3TA01285A

    23. [23]

      Wang, J.; Liu, Z.; Yang, W.; Han, L.; Wei, M. Chem. Commun. 2018, 54, 7346. doi: 10.1039/C8CC03875A

    24. [24]

      Wang, L.; Zhang, Y.; Guo, H.; Li, J.; Stach, E. A.; Tong, X.; Takeuchi, E. S.; Takeuchi, K. J.; Liu, P.; Marschilok, A. C. Chem. Mater. 2018, 30, 671. doi: 10.1021/acs.chemmater.7b03847

    25. [25]

      Wu, F.; Maier, J.; Yu, Y. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 1569. doi: 10.1039/c7cs00863e

    26. [26]

      Wu, L.; Zheng, J.; Wang, L.; Xiong, X.; Shao, Y.; Wang, G.; Wang, J. H.; Zhong, S.; Wu, M. Angew. Chem. 2019, 131, 821. doi: 10.1002/ange.201811784

    27. [27]

      Yan, B.; Li, X.; Bai, Z.; Li, M.; Dong, L.; Xiong, D.; Li, D. J. Alloys Compd. 2015, 634, 50. doi: 10.1016/j.jallcom.2015.01.292

    28. [28]

      Yang, L.; Liu, L.; Zhu, Y.; Wang, X.; Wu, Y. J. Mater. Chem. 2012, 22, 13148. doi: 10.1039/C2JM31364B

    29. [29]

      Yao, Z.; Xia, X.; Xie, D.; Wang, Y.; Zhou, C. A.; Liu, S.; Deng, S.; Wang, X.; Tu, J. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1802756. doi: 10.1002/adfm.201802756

    30. [30]

      Yuan, T.; Yu, X.; Cai, R.; Zhou, Y.; Shao, Z. J. Power Sources 2010, 195, 4997. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.02.020

    31. [31]

      Zhou, J.; Lin, N.; Wang, L.; Zhang, K.; Zhu, Y.; Qian, Y. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 7463. doi: 10.1039/C5TA00516G

    32. [32]

      Zhu, K.; Wang, X.; Liu, J.; Li, S.; Wang, H.; Yang, L.; Liu, S.; Xie, T. ACS Sustain. Chem. Eng. 2017, 5, 8025. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b01595

    33. [33]

      Lu, Y.; Yu, L.; Lou, X. W. D. Chem 2018, 4, 972. doi: 10.1016/j.chempr.2018.01.003

    34. [34]

      Choi, J. W.; Aurbach, D. Nat. Rev. Mater. 2016, 1, 16013. doi: 10.1038/natrevmats.2016.13

    35. [35]

      Heligman, B. T.; Manthiram, A. ACS Energy Lett. 2021, 6, 2666. doi: 10.1021/acsenergylett.1c01145

    36. [36]

      Park, C. -M.; Kim, J. -H.; Kim, H.; Sohn, H. -J. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3115. doi: 10.1039/b919877f

    37. [37]

      Song, K.; Liu, C.; Mi, L.; Chou, S.; Chen, W.; Shen, C. Small 2021, 17, 1903194. doi: 10.1002/smll.201903194

    38. [38]

      Yu, S. -H.; Feng, X.; Zhang, N.; Seok, J.; Abruña, H. D. Acc. Chem. Res. 2018, 51, 273. doi: 10.1021/acs.accounts.7b00487

    39. [39]

      Li, H.; Balaya, P.; Maier, J. J. Electrochem. Soc. 2004, 151, A1878. doi: 10.1149/1.1801451

    40. [40]

      Luo, Y. -R. Comprehensive Handbook of Chemical Bond Energies; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2007.

    41. [41]

      Kim, M. -S.; Lee, B. -H.; Park, J. -H.; Lee, H. S.; Hooch Antink, W.; Jung, E.; Kim, J.; Yoo, T. Y.; Lee, C. W.; Ahn, C. -Y. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 13406. doi: 10.1021/jacs.0c02203

    42. [42]

      Lou, S.; Zhao, Y.; Wang, J.; Yin, G.; Du, C.; Sun, X. Small 2019, 15, 1904740. doi: 10.1002/smll.201904740

    43. [43]

      Pan, L.; Zhu, X. D.; Xie, X. M.; Liu, Y. T. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 3341. doi: 10.1002/adfm.201404348

    44. [44]

      Dong, W.; Huang, F. eScience 2023, 100158. doi: 10.1016/j.esci.2023.100158

    45. [45]

      Dong, W.; Xie, M.; Zhao, S.; Qin, Q.; Huang, F. Mater. Sci. Eng., R 2023, 152, 100713. doi: 10.1016/j.mser.2022.100713

    46. [46]

      Fang, S.; Bresser, D.; Passerini, S. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1902485. doi: 10.1002/aenm.201902485

    47. [47]

      Dong, W.; Xu, J.; Wang, C.; Lu, Y.; Liu, X.; Wang, X.; Yuan, X.; Wang, Z.; Lin, T.; Sui, M. Adv. Mater. 2017, 29, 1700136. doi: 10.1002/adma.201700136

    48. [48]

      Xu, J.; Dong, W.; Song, C.; Tang, Y.; Zhao, W.; Hong, Z.; Huang, F. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 15698. doi: 10.1039/C6TA05645H

    49. [49]

      Xu, J.; Wang, D.; Kong, S.; Li, R.; Hong, Z.; Huang, F. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 5744. doi: 10.1039/C9TA13602A

    50. [50]

      Wen, G.; Ren, B.; Park, M. G.; Yang, J.; Dou, H.; Zhang, Z.; Deng, Y. P.; Bai, Z.; Yang, L.; Gostick, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 12860. doi: 10.1002/anie.202004149

    51. [51]

      Li, X.; Li, J.; Ali, R. N.; Wang, Z.; Hu, G.; Xiang, B. Chem. Eng. J. 2019, 368, 764. doi: 10.1016/j.cej.2019.03.020

    52. [52]

      Liang, S.; Cheng, Y. J.; Zhu, J.; Xia, Y.; Müller-Buschbaum, P. Small Methods 2020, 4, 2000218. doi: 10.1002/smtd.202000218

    53. [53]

      Pan, J.; Zhang, Y.; Li, L.; Cheng, Z.; Li, Y.; Yang, X.; Yang, J.; Qian, Y. Small Methods 2019, 3, 1900231. doi: 10.1002/smtd.201900231

    54. [54]

      Lin, X.; Dong, C.; Zhao, S.; Peng, B.; Zhou, C.; Wang, R.; Huang, F. Adv. Sci. 2022, 9, 2202026. doi: 10.1002/advs.202202026

    55. [55]

      Li, R.; Xu, J.; Lv, Z.; Dong, W.; Huang, F. Sci. China Mater. 2022, 65, 695. doi: 10.1007/s40843-021-1783-0

    56. [56]

      Liu, P.; Hao, Q.; Xia, X.; Lei, W.; Xia, H.; Chen, Z.; Wang, X. Electrochim. Acta 2016, 214, 1. doi: 10.1016/j.electacta.2016.08.022

    57. [57]

      Bresser, D.; Passerini, S.; Scrosati, B. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3348. doi: 10.1039/C6EE02346K

    58. [58]

      Zhao, Y.; Li, X.; Yan, B.; Xiong, D.; Li, D.; Lawes, S.; Sun, X. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1502175. doi: 10.1002/aenm.201502175

    59. [59]

      Kim, Y.; Um, J. H.; Lee, H.; Choi, W.; Choi, W. I.; Lee, H. S.; Kim, O. H.; Kim, J. M.; Cho, Y. H.; Yoon, W. S. Small 2020, 16, 1905868. doi: 10.1002/smll.201905868

    60. [60]

      Kim, S.; Evmenenko, G.; Xu, Y.; Buchholz, D. B.; Bedzyk, M.; He, K.; Wu, J.; Dravid, V. P. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805723. doi: 10.1002/adfm.201805723.

    61. [61]

      Wang, Y.; Han, J.; Gu, X.; Dimitrijev, S.; Hou, Y.; Zhang, S. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 18737. doi: 10.1039/C7TA05798A

    62. [62]

      Zhao, Z.; Tian, G.; Sarapulova, A.; Melinte, G.; Gómez-Urbano, J. L.; Li, C.; Liu, S.; Welter, E.; Etter, M.; Dsoke, S. ACS Appl. Mater. Interf. 2019, 11, 29888. doi: 10.1021/acsami.9b08539

    63. [63]

      甄绪, 郭雪静. 物理化学学报, 2017, 33, 845. doi: 10.3866/PKU.WHXB201612222Zhen, X.; Guo, X. -J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 845. doi: 10.3866/PKU.WHXB201612222

    64. [64]

      Yu, J.; Wang, Y.; Mou, L.; Fang, D.; Chen, S.; Zhang, S. ACS Nano 2018, 12, 2035. doi: 10.1021/acsnano.8b00168

    65. [65]

      Zhang, J.; Liang, J.; Zhu, Y.; Wei, D.; Fan, L.; Qian, Y. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 2728. doi: 10.1039/C3TA13228E

    66. [66]

      Wang, X.; Dong, C.; Lou, M.; Dong, W.; Yuan, X.; Tang, Y.; Huang, F. J. Power Sources 2017, 360, 124. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.05.104

    67. [67]

      Dong, W.; Zhao, Y.; Wang, X.; Yuan, X.; Bu, K.; Dong, C.; Wang, R.; Huang, F. Adv. Mater. 2018, 30, 1801409. doi: 10.1002/adma.201801409

    68. [68]

      Dong, W.; Li, R.; Xu, J.; Tang, Y.; Huang, F. Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 101109. doi: 10.1016/j.xcrp.2022.101109

    69. [69]

      Becker, S. M.; Scheuermann, M.; Sepelak, V.; Eichhöfer, A.; Chen, D.; Mönig, R.; Ulrich, A. S.; Hahn, H.; Indris, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 19624. doi: 10.1039/C1CP22298H

    70. [70]

      Ma, J.; Zhang, Z.; Mentbayeva, A.; Yuan, G.; Wang, B.; Wang, H.; Wang, G. Electrochim. Acta 2019, 312, 31. doi: 10.1016/j.electacta.2019.04.167

    71. [71]

      Li, W.; Yin, Y. -X.; Xin, S.; Song, W. -G.; Guo, Y. -G. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 8007. doi: 10.1039/C2EE21580B

    72. [72]

      Li, L.; Peng, S.; Wang, J.; Cheah, Y. L.; Teh, P.; Ko, Y.; Wong, C.; Srinivasan, M. ACS Appl. Mater. Interf. 2012, 4, 6005 doi: 10.1021/am301664e

    73. [73]

      Li, R.; Zhang, R.; Lou, Z.; Huang, T.; Jiang, K.; Chen, D.; Shen, G. Nanoscale 2019, 11, 12116. doi: 10.1039/C9NR03641E

    74. [74]

      Veerappan, G.; Zhang, K.; Ma, M.; Kang, B.; Park, J. H. Electrochim. Acta 2016, 214, 31. doi: 10.1016/j.electacta.2016.07.076

    75. [75]

      Li, W.; Chen, D.; Shen, G. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 20673. doi: 10.1039/C5TA04175A

    76. [76]

      Xu, S.; Peng, B.; Pang, X.; Huang, F. ACS Mater. Lett. 2022, 4, 2195. doi: 10.1021/acsmaterialslett.2c00810

    77. [77]

      Wang, L. P.; Leconte, Y.; Feng, Z.; Wei, C.; Zhao, Y.; Ma, Q.; Xu, W.; Bourrioux, S.; Azais, P.; Srinivasan, M. Adv. Mater. 2016, 29, 1603286. doi: 10.1002/adma.201603286

    78. [78]

      Liu, X.; Teng, D.; Li, T.; Yu, Y.; Shao, X.; Yang, X. J. Power Sources 2014, 272, 614. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.08.084

    79. [79]

      Dong, C.; Dong, W.; Zhang, Q.; Huang, X.; Gu, L.; Chen, I. -W.; Huang, F. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 626. doi: 10.1039/C9TA11330D

    80. [80]

      Xu, H.; Zhou, Y. -N.; Lu, F.; Fu, Z. -W. J. Electrochem. Soc. 2011, 158, A285. doi: 10.1149/1.3532037

    81. [81]

      Kwon, C.; Kim, H.; Toupance, T.; Jousseaume, B.; Campet, G.; Fluorine-Doped Tin Oxide Electrods for Lithium Batteries. In Fluorinated Materials for Energy Conversion; Elsevier: The Netherlands, 2005; p. 103.

    82. [82]

      Cui, D.; Zheng, Z.; Peng, X.; Li, T.; Sun, T.; Yuan, L. J. Power Sources 2017, 362, 20. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.07.024

    83. [83]

      Lin, Y.; Zhong, K.; Zheng, J.; Liang, M.; Xu, G.; Feng, Q.; Li, J.; Huang, Z. ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 9848. doi: 10.1021/acsaem.1c01883

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  96
  • HTML全文浏览量:  1
文章相关
  • 发布日期:  2025-03-15
  • 收稿日期:  2023-11-03
  • 接受日期:  2023-12-11
  • 修回日期:  2023-12-08
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章