第Ⅲ部分 鉬在新能源電池市場的介紹
第十八章 鉬在鈉離子電池中的應(yīng)用
隨著科技的不斷進(jìn)步，人類對能源的需求日益增長，尤其是高效、環(huán)保的儲能技術(shù)，如鈉離子電池。作為一種重要的過渡金屬元素，鉬（Mo）在鈉離子電池中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。據(jù)中鎢在線/中鎢智造了解，氧化鉬、二硫化鉬、二硒化鉬和鉬酸鋰等鉬化合物均可以用作鈉離子電池的電極材料，其優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)使得鉬在鈉電池領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
三氧化鉬圖片
氧化鉬在鈉離子電池中的應(yīng)用。氧化鉬是一種重要的鉬化合物，具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)和較高的理論容量。在電池中，氧化鉬可以作為負(fù)極材料，通過鈉離子的嵌入和脫嵌來實現(xiàn)電池的充放電過程。研究表明，通過優(yōu)化氧化鉬的制備方法和結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高其電化學(xué)性能，從而提高電池的能量密度和循環(huán)壽命。
二硫化鉬在鈉離子電池中同樣扮演著重要角色。二硫化鉬具有較大的層間距和較高的理論儲能容量，這使得它成為一種理想的電極材料。此外，MoS2還具有較高的電導(dǎo)率和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，這有助于提高鈉電池的充放電速率和循環(huán)穩(wěn)定性。值得注意的是，為了克服MoS2在充放電過程中可能出現(xiàn)的體積膨脹和容量衰減等問題，研究者通過將其與石墨烯等導(dǎo)電材料復(fù)合或設(shè)計制備具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的MoS2材料，來進(jìn)一步提高其電化學(xué)性能。
二硫化鉬圖片
二硒化鉬在鈉離子電池中的應(yīng)用備受關(guān)注。二硒化鉬具有較高的理論容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，這使得它成為一種具有潛力的鈉電池負(fù)極材料。為了進(jìn)一步提高M(jìn)oSe2的電化學(xué)性能，研究者通過摻雜氮、磷等雜原子，或者將其與碳納米片等材料復(fù)合，來優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和性能。這些改進(jìn)不僅提高了MoSe2的導(dǎo)電性和界面結(jié)合能力，還緩解了體積效應(yīng)，從而提高了電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
此外，鉬酸鋰也是鈉離子電池中一種重要的鉬化合物。鉬酸鋰具有較高的能量密度和良好的循環(huán)性能，這使得它成為一種有競爭力的電極材料。研究者通過優(yōu)化鉬酸鋰的制備工藝和結(jié)構(gòu)，以及探索其與其他材料的復(fù)合方式，來進(jìn)一步提高其電化學(xué)性能，從而推動鈉離子電池在實際應(yīng)用中的發(fā)展。
鉬酸鋰圖片
總的來說，鉬及其化合物在鈉離子電池中的應(yīng)用具有廣泛的前景和潛力。通過深入研究鉬化合物的性質(zhì)和應(yīng)用，我們可以不斷優(yōu)化鈉離子電池的性能，推動其在能源儲存領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。然而，我們也要認(rèn)識到，鈉離子電池的發(fā)展仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，如成本、安全性、壽命等問題。因此，我們需要繼續(xù)加大研發(fā)力度，探索新的材料和技術(shù)，為鈉離子電池的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
18.1 氧化鉬在鈉離子電池中的應(yīng)用
隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，鈉離子電池作為一種新興的電池技術(shù)，正逐漸引起科研人員和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。相較于傳統(tǒng)的鋰離子電池，鈉電池在資源豐富性、成本以及環(huán)境友好性等方面具有顯著優(yōu)勢。然而，鈉電池的性能提升仍受限于其負(fù)極材料的性能。因此，尋找高性能的鈉電池負(fù)極材料成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在眾多候選材料中，氧化鉬以其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在鈉離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。
氧化鉬具有多種晶體結(jié)構(gòu)，如三氧化鉬（MoO3）和二氧化鉬（MoO2）等。這些結(jié)構(gòu)使得氧化鉬具有優(yōu)異的電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散性能。此外，氧化鉬還具有較高的理論比容量和較低的嵌鈉電位，使其在鈉電池中具有較高的能量密度和優(yōu)異的電化學(xué)性能。
三氧化鉬圖片
氧化鉬作為鈉離子電池負(fù)極材料，具有諸多優(yōu)勢。首先，其較高的理論比容量使得鈉離子電池具有較高的能量密度，有望滿足高能量需求的應(yīng)用場景。其次，氧化鉬的嵌鈉電位較低，有助于提升鈉離子電池的工作電壓，從而提高電池的能量效率。最后，氧化鉬的離子擴(kuò)散性能優(yōu)異，有助于實現(xiàn)鈉電池的快速充放電，滿足高功率需求。
在實際應(yīng)用中，氧化鉬負(fù)極材料展現(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能。通過優(yōu)化制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)氧化鉬負(fù)極材料的高容量、長循環(huán)壽命和良好的倍率性能。例如，納米化技術(shù)可以顯著提高氧化鉬的比表面積和離子擴(kuò)散速率，從而提升其電化學(xué)性能。同時，復(fù)合化技術(shù)可以將氧化鉬與其他材料相結(jié)合，形成具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料，進(jìn)一步提升鈉離子電池的性能。
總之，氧化鉬作為一種具有獨(dú)特性質(zhì)和優(yōu)異性能的材料，在鈉離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通過不斷優(yōu)化制備工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們可以充分發(fā)揮氧化鉬的優(yōu)勢，推動鈉離子電池在實際應(yīng)用中的發(fā)展，為新能源技術(shù)的快速發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。
鈉離子電池圖片
18.1.1 鈉離子電池負(fù)極材料用二氧化鉬
18.1.2 鈉離子電池負(fù)極材料用三氧化鉬
18.1.3 鈉離子電池負(fù)極材料用氧化鉬的挑戰(zhàn)
18.2 二硫化鉬在鈉離子電池中的應(yīng)用
18.2.1 鈉離子電池負(fù)極材料用二硫化鉬復(fù)合材料
18.2.2 鈉離子電池負(fù)極材料用二硫化鉬的挑戰(zhàn)
18.3 二硒化鉬在鈉離子電池中的應(yīng)用
隨著科技的不斷進(jìn)步和全球能源需求的日益增長，開發(fā)高效、環(huán)保的能源存儲技術(shù)成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。鈉離子電池，作為一種新興的電池技術(shù)，因其鈉資源的豐富性和低成本優(yōu)勢，被認(rèn)為是未來能源存儲領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。而二硒化鉬，作為一種具有優(yōu)異電學(xué)性能的二維材料，其在鈉離子電池中的應(yīng)用也受到了廣泛關(guān)注。
二硒化鉬圖片
二硒化鉬（MoSe2）是一種具有層狀三明治結(jié)構(gòu)的過渡金屬硒化物。其結(jié)構(gòu)中的鉬原子和硒原子通過共價鍵連接，形成了穩(wěn)定的二維層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了二硒化鉬獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如較高的電導(dǎo)率、較大的層間距以及適中的理論容量等。這些特性使得MoSe2在能源存儲領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。
鈉離子電池的負(fù)極材料對于電池的性能具有重要影響。MoSe2因其較高的理論容量和優(yōu)異的電導(dǎo)率，被認(rèn)為是鈉電池負(fù)極材料的理想選擇。通過將MoSe2與碳材料復(fù)合或調(diào)控其尺寸，可以進(jìn)一步提高其電化學(xué)性能。例如，研究人員通過靜電紡絲、硒化及碳化過程，設(shè)計制造了具有多通道電子傳輸路徑的氮摻雜雙碳?xì)覯oSe2納米材料（MoSe2/MCFs@NC）。這種結(jié)構(gòu)具有三維連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、豐富的空隙和足夠的電子傳輸路徑，有助于適應(yīng)鈉離子脫嵌帶來的體積膨脹應(yīng)力，并加快電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)。作為鈉離子電池負(fù)極材料時，MoSe2/MCFs@NC表現(xiàn)出高的比容量（10A/g電流密度下為319mAh/g）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
二硒化鉬在鈉離子電池中的儲鈉機(jī)制主要涉及到鈉離子在MoSe2層間的嵌入和脫出過程。在充電過程中，鈉離子從正極材料中脫出，通過電解液遷移到負(fù)極材料MoSe2的表面，并嵌入到其層間結(jié)構(gòu)中。這一過程伴隨著電子從負(fù)極流向正極，形成了電池的充電狀態(tài)。而在放電過程中，嵌入在MoSe2層間的鈉離子重新脫出，通過電解液回到正極材料，同時電子從正極流向負(fù)極，實現(xiàn)了電池的放電過程。
鈉離子電池圖片
為了提高二硒化鉬在鈉離子電池中的性能，研究者們采取了多種策略。首先，通過調(diào)控MoSe2的納米結(jié)構(gòu)，如制備納米片、納米線等形貌，可以增大其比表面積和反應(yīng)活性位點(diǎn)，從而提高鈉離子的嵌入和脫出效率。其次，將MoSe2與其他材料復(fù)合也是一種有效的性能優(yōu)化手段。例如，與碳材料復(fù)合可以提高電極的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性；與金屬氧化物或硫化物復(fù)合則可以利用協(xié)同效應(yīng)提升電池的能量密度和功率密度。
盡管二硒化鉬在鈉離子電池中展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和應(yīng)用前景，但仍存在一些挑戰(zhàn)需要克服。首先，MoSe2的制備工藝需要進(jìn)一步優(yōu)化，以實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的生產(chǎn)。其次，如何提高M(jìn)oSe2的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，以滿足實際應(yīng)用的需求，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。此外，還需要深入研究MoSe2在鈉離子電池中的失效機(jī)制和性能衰減原因，以指導(dǎo)材料設(shè)計和性能優(yōu)化。
18.3.1 鈉離子電池負(fù)極材料用二硒化鉬復(fù)合材料
隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，新能源技術(shù)的發(fā)展成為了全球范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。鋰離子電池作為目前應(yīng)用最廣泛的儲能技術(shù)之一，其性能的提升和成本的降低一直是科研工作者們追求的目標(biāo)。然而，鋰資源的有限性限制了鋰離子電池的長期發(fā)展。因此，尋找替代鋰資源的儲能技術(shù)成為了迫切的需求。
鈉離子電池作為一種潛在的替代技術(shù)，因其鈉元素資源豐富、價格低廉以及反應(yīng)機(jī)制與鋰離子電池相似等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。然而，鈉電池電極材料的性能仍然面臨著一些挑戰(zhàn)，如離子半徑較大導(dǎo)致的擴(kuò)散能壘升高和循環(huán)性能、倍率性能較差等問題。因此，探尋具有較高循環(huán)穩(wěn)定性和倍率保持率的電極材料成為了科研工作者的重要任務(wù)。
二硒化鉬圖片
二硒化鉬作為一種層狀三明治結(jié)構(gòu)的過渡金屬硒化物，因其較小的能帶帶隙、較大的層間距及適中的理論容量等特性，被認(rèn)為是理想的鈉電池負(fù)極材料之一。然而，MoSe2仍存在導(dǎo)電性較低和體積效應(yīng)偏大等問題，這限制了其在鈉離子電池中的應(yīng)用。為了解決這些問題，科研工作者嘗試將二硒化鉬與碳材料進(jìn)行復(fù)合，形成MoSe2/C復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅能夠提高電極材料的導(dǎo)電性能，還能有效緩解體積效應(yīng)，從而改善循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
近期，山東大學(xué)楊劍教授課題組設(shè)計并制備了氮、磷共摻雜碳納米片負(fù)載的二硒化鉬復(fù)合電極材料（MoSe2/N,P-rGO）。這種復(fù)合材料結(jié)合了MoSe2的高容量特性和摻雜碳材料的高導(dǎo)電性能，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。在0.5A/g的電流密度下循環(huán)1000圈后，其可逆容量仍保持在378mAh/g。即使在5A/g的高電流密度下循環(huán)1000圈，容量也能維持在232mAh/g。結(jié)果表明，氮、磷共摻雜碳納米片的引入顯著提高了二硒化鉬的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。研究者發(fā)現(xiàn)，氮、磷共摻雜碳材料與放電產(chǎn)物之間具有較強(qiáng)的相互作用，這有助于穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)并減少體積效應(yīng)。這種協(xié)同效應(yīng)為鈉離子電池循環(huán)穩(wěn)定性的增加提供了合理的解釋和支撐。
此外，研究者們還通過非原位的拉曼光譜、HRTEM照片等技術(shù)揭示了MoSe2的儲鈉機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，在充放電過程中，鈉離子在MoSe2的層間進(jìn)行可逆的嵌入和脫出，實現(xiàn)了高效的能量存儲和釋放。這一機(jī)制為MoSe2在鈉電池中的應(yīng)用提供了理論支持。
為了進(jìn)一步驗證MoSe2/N,P-rGO復(fù)合材料的實際應(yīng)用潛力，研究者將其與磷酸釩鈉組裝為鈉離子全電池。測試結(jié)果表明，該全電池展現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，證實了MoSe2/N,P-rGO復(fù)合材料在鈉離子電池中的應(yīng)用價值。
綜上所述，氮、磷共摻雜碳納米片負(fù)載的二硒化鉬復(fù)合電極材料在鈉離子電池中展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。通過調(diào)控材料結(jié)構(gòu)和引入雜原子摻雜，研究者成功解決了二硒化鉬導(dǎo)電性較低和體積效應(yīng)偏大等問題，提高了其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。這一研究成果為鈉離子電池負(fù)極材料的開發(fā)提供了新的思路和途徑，有望推動鈉離子電池技術(shù)的快速發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用。
18.3.2 鈉離子電池負(fù)極材料用二硒化鉬的挑戰(zhàn)
18.4 鉬酸鋰在鈉離子電池中的應(yīng)用
18.4.1 鈉離子電池負(fù)極材料用鉬酸鋰
18.4.2 鈉離子電池負(fù)極材料用鉬酸鋰的挑戰(zhàn)
18.5 鉬酸鐵在鈉離子電池中的應(yīng)用
18.5.1 鈉離子電池負(fù)極材料用鉬酸鐵
隨著能源存儲技術(shù)的快速發(fā)展，鈉離子電池作為一種潛在的大規(guī)模儲能技術(shù)，近年來受到了廣泛關(guān)注。在鈉離子電池中，負(fù)極材料的選擇對于電池的性能至關(guān)重要。鉬酸鐵作為一種新型的負(fù)極材料，因其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電化學(xué)性能，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。
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鉬酸鐵的晶體結(jié)構(gòu)屬于正交晶系，空間群為Pbcn。其晶體結(jié)構(gòu)由FeO6八面體和MoO4四面體通過共享頂點(diǎn)氧原子相互連接而成，形成了三維的框架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為鈉離子的嵌入和脫出提供了良好的通道，使得Fe2(MoO4)3在作為負(fù)極材料時具有優(yōu)異的離子傳輸性能。
鉬酸鐵是一種無機(jī)固體，通常呈現(xiàn)為黃色或棕色粉末。它具有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定。此外，F(xiàn)e2(MoO4)3還具有良好的電子導(dǎo)電性和離子傳輸性能，這使得它在電化學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
鉬酸鐵具有較高的理論比容量，能夠存儲更多的鈉離子，從而提高電池的能量密度。Fe2(MoO4)3的晶體結(jié)構(gòu)在鈉離子的嵌入和脫出過程中能夠保持相對穩(wěn)定，使得電池具有較長的循環(huán)壽命。Fe2(MoO4)3的離子傳輸通道暢通，使得電池在高倍率充放電條件下仍能保持較好的性能。
鉬酸鐵的制備工藝多種多樣，常見的方法包括固相法、溶膠-凝膠法、水熱法等。這些方法的選擇取決于原料的可用性、工藝條件以及所需產(chǎn)品的性能要求。在制備過程中，需要嚴(yán)格控制原料的配比、反應(yīng)溫度和時間等參數(shù)，以獲得具有理想結(jié)構(gòu)和性能的鉬酸鐵材料。
作為鈉離子電池的負(fù)極材料，鉬酸鐵展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能。在充放電過程中，鈉離子可以在Fe2(MoO4)3的晶體結(jié)構(gòu)中嵌入和脫出，從而實現(xiàn)電能的存儲和釋放。通過優(yōu)化制備工藝和電極結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高Fe2(MoO4)3負(fù)極材料的電化學(xué)性能。
鉬酸鐵圖片
鉬酸鐵作為鈉離子電池負(fù)極材料時，其充放電過程中的反應(yīng)方程式可以表示為：
放電過程（嵌入鈉離子）：
Fe2(MoO4)3+xNa++xe-→NaxFe2(MoO4)3
充電過程（脫出鈉離子）：
NaxFe2(MoO4)3→Fe2(MoO4)3+xNa++xe-
其中，x表示嵌入或脫出的鈉離子數(shù)量，e-表示電子。通過調(diào)整x的值，可以控制電池的充放電狀態(tài)和能量密度。
在實際應(yīng)用中，鉬酸鐵負(fù)極材料的電化學(xué)性能可以通過循環(huán)伏安法、恒流充放電測試等手段進(jìn)行表征。通過測試不同條件下的充放電曲線、循環(huán)性能以及倍率性能等參數(shù)，可以評估鉬酸鐵負(fù)極材料的優(yōu)劣，并為其在實際應(yīng)用中的優(yōu)化提供指導(dǎo)。
18.5.2 鈉離子電池負(fù)極材料用鉬酸鐵的挑戰(zhàn)
18.6 鉬酸鎳在鈉離子電池中的應(yīng)用
18.6.1 鈉離子電池負(fù)極材料用鉬酸鎳
18.6.2 鈉離子電池電極材料用鉬酸鎳的挑戰(zhàn)
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