Das Design von Übergangsmetallsulfid-Kathoden für Hochleistungs-Magnesium-Ionen-Batterien

Zusammenfassung Trotz der weitverbreiteten Nutzung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie (LIB) leiden konventionelle LIB unter schweren Einschränkungen (z. B. niedrige Energiedichte, brennbare Elektrolyte), die ein großes Forschungsinteresse an alternativen Batterietechnologien ausgelöst haben. Um die Einschränkungen von Lithium-Ionen-Batterien zu überwinden, wurden Magnesium-Ionen-Batterien (MIBs) als vielversprechende alternative Energiespeichergeräte vorgeschlagen, mit Vorteilen wie hoher volumetrischer Energiedichte, hoher Sicherheit, niedrigen Kosten und Umweltverträglichkeit. Allerdings führt die hohe Ladungsdichte von Mg2+ in MIBs zu langsamen elektrochemischen Kinetiken, was auf die starken elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen dem Wirtsmaterial und Mg2+ zurückzuführen ist. Um dieses Problem zu mindern, werden Übergangsmetallsulfide (TMS) als Lösung vorgeschlagen und intensiv als Kathoden in MIBs erforscht, da die weichen Eigenschaften von Schwefel unerwünschte elektrostatische Wechselwirkungen abschwächen können (die niedrige Ladungsdichte von Schwefel und die hohe theoretische Kapazität). Dennoch leiden TMS unter großen Volumenänderungen, schlechter elektrischer Leitfähigkeit sowie schädlichen Nebenreaktionen, die alle zu verschlechterter Zyklusleistung führen. Zu diesem Zweck wurden viele Lösungen vorgeschlagen, um diese Probleme zu lösen. Hier präsentieren wir die neuesten Forschungen zum Design von nanostrukturierten TMS (z. B. NiS2, FeS2 und Co3S4/CoS2) und deren elektrochemischen Speichereigenschaften bei Verwendung als Kathoden in MIBs. Wir heben wichtige Erkenntnisse hervor und diskutieren diese: (1) verschiedene Synthesemethoden zur Herstellung von TMS-Nanostrukturen, (2) Nanostrukturen (hohle und hierarchische Kugeln), die die Volumenvariation bei der Einspeicherung/Auslagerung von Mg2+ effektiv lindern, (3) Schwefelanionen, die die elektrochemischen Eigenschaften verbessern, (4) die TMS-Kathode, die im elektrochemischen Prozess einen Shuttle-Effekt hat, der durch gut gestaltete Kristallstrukturen verlangsamt werden kann, (5) Dichtefunktionaltheoretische Berechnungen und ab initio Molekulardynamik, die umfassend genutzt werden, um die experimentellen Ergebnisse zu unterstützen und das Design leistungsfähiger TMS-Kathoden zu leiten, und (6) fortschrittliche Charakterisierungstechnologien (z. B. kryogene Transmissions-Elektronenmikroskopie, Röntgenabsorptionsspektroskopie), die effektive Werkzeuge sind, um die dynamische Entwicklung von TMS-Kathoden während des Entlade-/Ladeprozesses zu untersuchen. Darüber hinaus bewerten wir auch andere konventionelle Strategien zur Gestaltung von TMS-Kathoden. Um die Realisierung von MIBs als Energiesystem voranzutreiben, werden aktuelle Studien zu MIBs in Taschenzellen geprüft und diskutiert, hinsichtlich der Herausforderungen, die bei der industriellen Produktion bestehen. Um der steigenden Nachfrage nach Kathoden mit hoher Energiedichte gerecht zu werden, zeigen wir unser Potenzial in der maschinellen Lernforschung zu TMS-basierten Kathoden auf, da maschinelles Lernen gut geeignet ist, um neue Materialien zu entdecken und die Zeit für die Entwicklung einer Technologie vom Labor bis zur Kommerzialisierung zu verkürzen. Unser Bericht wird somit die Herstellung anderer auf Übergangsmetallchalcogenide basierenden Kathoden für hochleistungsfähige multivalente Ionenbatterien leiten.