重磅！昆士兰科技大学孙子其课题组AM综述：二维金属氧化物纳米材料用于可充电电池

【引言】

自从石墨烯被发现以来，二维材料的发展日新月异，制备技术和应用领域都不断拓宽延伸，主要是因为这种纳米级别的片层状材料拥有许多与众不同的特异性质。其中，二维金属氧化物纳米材料具有较好的稳定性，较高的化学活性界面，较短的离子传输距离以及优异的电子传输动力学，使其在可充电电池领域大显身手。近年来，有关二维金属氧化物的原创性研究越来越多。日前，澳大利亚昆士兰科技大学大学孙子其课题组在《Advanced Materials》发表综述文章“Two-Dimensional Metal Oxide Nanomaterials for Next-Generation Rechargeable Batteries”（通讯作者为孙子其博士，第一作者为博士生梅俊）。该综述文章共分为四个部分。首先总结了二维金属氧化物纳米材料的制备方法以及最新进展。然后简述了常见可充电电池的储能机理，包括锂离子电池，钠离子电池，锂硫电池，锂空电池。 接着详细综述了常见的几种二维金属氧化物纳米材料的制备以及在各种电池领域的应用。最后，鲜明指出二维金属氧化物纳米材料在实际应用中遇到的挑战以及未来发展的可行性路径。

综述导览图

1. 二维金属氧化物的制备策略

获得二维金属氧化物纳米片的方法主要分为两种，即“自上而下”法和“自下而上”法。其中前一种方法主要是指剥离法（比如液相剥离和热剥离等），该方法比较简单，获得的产物结晶度比较高，但质量分布不均，不可用于没有对应的非层状前驱体的金属氧化物；后者主要是自组装方法，产率相对比较高，产品质量比较均一，适合大规模批量制备，但工艺相对复杂，对溶液反应要求比较高。

图一 二维金属氧化物的合成策略

2. 下一代可充电电池机理

该部分论述了常见的四种电池的储能机理，指出了每一种电池的优势与面对的挑战。锂离子电池是研究最广泛的电池，和钠离子电池的存储机制基本一样。但钠的来源丰富，但钠的离子半径比较大，充放电的过程比较慢。锂氧电池的关键在于高效率的催化剂的研究开发，金属氧化物在锂硫电池中的作用之一是有效阻止聚硫化物的溶解。

图二 锂离子电池，钠离子电池，锂氧电池和锂硫电池示意图

3. 二维金属氧化物在电池中的应用

该部分详细综述了常见二维金属氧化物制备的前世今生以及在电池中展现出的电化学性质，包括六种常见的二元金属氧化物，即钒氧化物，钴氧化物，锡氧化物，镍氧化物，锰氧化物和铁氧化物，以及其他三元或者异质金属氧化物。

3.1 钒氧化物

钒氧化物可以通过“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战，而且目前大部分利用钒氧化物做电极材料的锂离子电池的比电容仍然低于200 mA h g^-1.

图三 钒氧化物的制备电化学性能

3.2 钴氧化物

四氧化三钴是非常有前景的锂离子电池和钠离子电池的电极材料，在很多报道中实际储存锂离子的比电容甚至高于理论比电容（890 mA h g^-1），而且也可以作为高效催化剂用于锂氧电池。通过与石墨烯进行层层复合，电化学性能会进一步提升。

图四 钴氧化物的制备与电化学性能

3.3 锡氧化物

对于二氧化锡和一氧化锡用于锂离子电池电极材料来说，可逆比电容分别高于500 和400 mA h g^-1，但跟其理论比电容相比仍有一定的上升空间。而用于钠离子电池的研究则相对较少。

图五 锡氧化物的制备与电化学性能

3.4 镍氧化物

氧化镍纳米片可以通过由其氢氧化钴前驱体转变得到。对于锂离子电池来说，比电容最高可以高达1200 mA h g^-1，但对于钠离子电池来说，比电容依然低于300 mA h g^-1。

图六 镍氧化物的制备与电化学性能

3.5 锰氧化物

二氧化锰具有很高的理论比电容，化合价态变化丰富，而且成本比较低，实际报道的比电容可以高达1690 mA h g^-1，但最大的挑战就是导电率比较低。

图七 锰氧化物的制备与电化学性能

3.6 铁氧化物

三氧化二铁纳米片的制备目前主要依靠“由下而上”法，作为锂离子电池来说，理论比电容约为1006 mA h g^-1  但目前循环性能依然难以让人满意。

图八 铁氧化物的制备与电化学性能

3.7 其他类别

此外，二维金属氧化物纳米材料还包括其他一些二元氧化物（比如三氧化二铬，氧化铜，二氧化钛，氧化锌等），许多三元金属氧化物（比如镍钴氧，锂钴氧，钠锰氧等）以及他们的杂化或者异质结构。

4. 结论与展望

该部分给出了二维金属氧化物制备所面临的挑战（比如导电性能差，纳米材料自聚以及可控制备），同时指出了几个可行性策略（比如和导电材料复合）。这些将会极大的推动二维材料的进一步发展，同时也为可充电电池的下一步研究奠定基础。

文献链接：Two-Dimensional Metal Oxide Nanomaterials for Next-Generation Rechargeable Batteries (Adv. Mater. 2017, 10.1002/adma.201700176)

本文由澳大利亚昆士兰科技大学大学孙子其课题组梅俊博士投稿，材料牛整理编辑。材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

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