儲能領域中的碲和碲化物

儲能領域中的碲和碲化物 2022/06/10 16:48

碲（Tellurium,Te）作為一種具有優異壓電、熱電和光電特性的單元素半導體，在能源和光電子器件中有著廣泛的應用。在儲能材料領域，硫族化合物的碲材料擁有最多的金屬特性和高導電率，極大促進了儲能反應并提高了儲能設備的速率。此外，Te比S和Se具有更低的電負性和更大的原子尺寸，可以容納更多的電解質離子，并增強擴散動力。因此，碲化物材料與單質Te具有相似的優勢，包括高理論體積容量和高電導率。探索單質碲和碲化物的儲能機理及應用潛力，將為電化學儲能器件的尺寸改善帶來新的前景。本文將從圖1所示的三個方面講解碲和碲化物在儲能方向上的應用 ^[1,2]。

圖1 碲基材料在儲能方向的應用

0 1

碲和碲化物在能源儲存中的優勢

碲化物獨特的物理化學性質使其在儲能方面具有巨大的應用潛力。通常來說，Te的電導率高于S和Se，這確定了Te材料有更高的電導率且更能促進電化學反應，可以產生優異的速率性能，表1是金屬硫族化合物電導率的對比圖 ^[3]。另外，過渡金屬碲化物是典型的層狀材料，具有巨大的層間空間，有利于離子在電極中的快速傳輸，表現出良好的電極潤濕性和離子擴散動力。同時，Te的密度高于S和Se，碲化物的密度一般高于硫化物和硒化物。更大的密度會產生更高的體積能量密度，這將為電池帶來巨大的優勢：(i)可以減少設備的尺寸，并降低輔助材料成本；(ii) 較薄的電極需要的電解質更少，可減少電解質的成本。

表1 金屬導電率對照表

表2 幾種主要碲化物的儲能特性

除了上述共同的優點外，其他的碲化物也各有其優點。表2總結了一些碲化物的儲能特性。在過去的幾十年里，研究人員更多地關注重量容量。然而，在我們的日常生活中，尺寸的應用至關重要，因此體積容量成為最重要的指數 ^[4,5]。體積容量可以用如下公式計算：

在公式中，Cv和Cm分別表示體積容量和重量容量。Q為容量，V為電極材料的體積，ρ為電極材料的壓力密度 ^[6]。體積容量和重量容量之間的關系表明，碲化物比硫化物和硒化物具有更高的相對分子質量，因此可能具有更強的容量儲能能力，這意味著碲化物更適合于調控物質尺寸的應用。此外，碲化物通常有一個很小的帶隙，說明碲化物的電荷轉移動力更為優越。Zhang等人經過計算，MoTe ₂作為電極時，發現Li離子在MoTe ₂中有3條擴散路徑，最短距離為2.334A，僅高于鋰離子在0.1eV左右的初始狀態，證明了它有利于Li離子的插入/提取。

金屬碲化物的制備

本節總結了碲化物材料的合成方法，主要討論了三種廣泛使用的材料制備方法，包括化學氣相沉積(CVD)、水熱/溶劑熱法和高能球磨(HEBM)，并分析了它們在生產碲和碲化物方面的優缺點。

1.化學氣相沉積。CVD是一種制備優質薄膜材料的化學工藝，在半導體工業中經常用于在各種襯底上生產薄膜。MoTe ₂因其獨特的半導體和半金屬性能，受到了廣泛的關注。然而，在制備高質量的MoTe ₂的過程中，Si/SiO ₂基底可能與Te發生反應，導致生成副產物SiTe和Si ₂Te ₃，而不能合成MoTe ₂。

2.水/溶劑熱法。結合模板法或者延長反應時間，水熱（或溶劑熱）法可以實現產物形貌的控制（圖2）。

圖2 不同碲化物的電鏡形貌及形成機制

3.高能球磨法。高能球磨是一種球磨過程，其中放置在球磨機中的粉末混合物受到來自球的高能碰撞。該方法通常用于制備納米晶或合金，將材料的粒徑從微米減小到納米(2-20nm)，以獲得均勻的納米顆粒，大大提高了粉末活性和顆粒分布的均勻性。

4.其他制備方法：如化學浴沉積、化學沉積、電化學沉積、噴霧熱解等方法。

Te在電化學儲能中的應用

在鋰離子電池領域，大塊Te主要表現為不規則的形態，不能有效地控制鋰化產物的分布，也不能耐受鋰化過程中體積膨脹引起的內應力，導致循環性能較差。因此，通常將Te納米結構與其他材料進行復合材料，以提高電池結構的耐久性。例如，Zhang及其同事首先將Te@C陽極作為鋰電池的陽極材料。Te的高導電性以及納米尺寸Te在微孔碳結構中的有效約束和穩定性使得電池擁有優異的速率能力（998mAhcm ^-3）和長期循環穩定性（在1000次循環中保留85%的容量） ^[7]。除了使用元素Te作為鋰離子電池的陽極，碲化物也具有特別的鋰離子存儲的電化學性能。Son等人將SnTe分散到TiC/C雜化基體中，不僅可以防止活性材料的聚集，而且還可以提高整體復合材料的電導率 ^[8]。為了探索原子尺度上鋰離子的儲能機制，Panda等人采用密度泛函理論(DFT)，認為鋰原子插入的非等效不同位點分為兩類(圖3) ^[9]。

圖3 在原子尺度上鋰離子的儲能機制示意圖

在鈉離子電池領域，碳改性也是提高Te元素陽極(nano-Te@C)儲能性能的有效策略。Sb ₂Te ₃是一種典型的窄帶隙(0.23eV)p型半導體材料。由于其穩定的化學性質、環境友好性和優越的半導體性能，Sb ₂Te ₃在光電探測器、析氫技術和陽極材料方面有著廣泛的應用。Yin等人構建了Cu@Sb ₂Te ₃@rGO3D分層異質結結構作為sib的陽極材料，顯示出優異的電子傳輸速率(圖4a)和穩定的長循環性能(圖4b) ^[10]。

圖4 Cu@Sb2Te3@rGO電極的優秀(a)速率和(b)循環性能

在超級電容器（SCs）領域，研究人員對基于碲化物的SCs的應用關注較少，但有一個逐年增長的趨勢。Cao等人首先利用高密度Te納米線作為SC電極，新型Te/Au/MnO ₂核殼結構具有優異的速率能力和長期循環穩定性 ^[11]。NiTe是一種已受到研究者廣泛關注的SCs電極材料， Chen 和同事設計了一種分層梯度復合材料，NiTe作為NiS共存的電容材料，獲得了優異的電化學性能 ^[12]。

在其他電池領域，鋰硫電池仍存在電導率差、多硫化物穿梭、體積膨脹大等缺點。Te比S和Se具有更高的導電率，在解決鋰S電池的電子轉移問題方面具有很大的潛力。Xu等人將Te的較高的p軌道摻雜到陰極中，以提高S和Li ₂S的本征電導率。此外，Te摻雜還可以提高鋰硫電池的化學反應動力學和循環性能。 Nanda 等人將Te加入鋰電池陰極可以穩定鋰沉積，減少電解質分解，提高結構耐久性和循環穩定性。Guo等人將SnSb ₂Te ₄納米點錨定在少層狀石墨烯上，作為高速率鉀離子電池的陽極。三維拓撲絕緣子SnSb ₂Te ₄與石墨烯之間形成了異質結，使得原本拓撲表面狀態具有了高導電率 ^[13-15]。

總而言之，在我們的日常生活中，對能源的迫切需求已經充斥著各種領域。為了滿足人們對儲能的需求，開發高效的儲能設備是一個關鍵。離子電池是一種重要的儲能設備，理論上的體積容量在很大程度上取決于活性物質的密度，具有較高電導率和質量密度的Te和碲化物可能為儲能技術的發展帶來新的機遇。

參考文獻

下滑查看更多 ↓

1. M. S. Han, Z. H. Zhou, Y. Li, Q. G. Chen, and M. H. Chen, ChemElectroChem 2021, 8, 1–16.

2. T. Kshetri, T. I. Singh, Y. S. Lee, D. D. Khumujam, N. H. Kim, J. H. Lee, Composites Part B 2021, 211, 108624.

3 . Y. Wei, L. Huang, J. Chen, Y. Guo, S. Wang, H. Li, T. Zhai, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 41374–41382.

4 . X. Xie, M.-Q. Zhao, B. Anasori, K. Maleski, C. E. Ren, J. Li, B. W. Byles, E. Pomerantseva, G. Wang, Y. Gogotsi, Nano Energy 2016, 26, 513–523.

5 . S. M. Alay-e-Abbas, A. Shaukat, J. Mater. Sci. 2011, 46, 1027–1037.

6 . D. Li, J. Zhou, X. Chen, H. Song, ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 30379–30387.

7 . J. Zhang, Y.-X. Yin, Y. You, Y. Yan, Y.-G. Guo, Energy Technol. 2014, 2, 757–762.

8 . S. Y. Son, J. Hur, K. H. Kim, H. B. Son, S. G. Lee, I. T. Kim, J. Power Sources 2017, 365, 372–379.

9 . M. R. Panda, R. Gangwar, D. Muthuraj, S. Sau, D. Pandey, A. Banerjee, A. Chakrabarti, A. Sagdeo, M. Weyland, M. Majumder, Q. Bao, S. Mitra, Small 2020, 16, 2002669.

10 . X.-X. Yu, L. Wang, H. Yin, Appl. Mater. Res. 2019, 15, 582–589.

11 . J. Cao, M. Safdar, Z. Wang, J. He, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 10024–10029.

12. S. Chen, B. Wu, H. Qian, Z. Wu, P. Liu, F. Li, H. He, J. Wu, B. Liu, J. Power Sources 2019, 438, 227000.

13 . K. Xu, X. Liu, J. Liang, J. Cai, K. Zhang, Y. Lu, X. Wu, M. Zhu, Y. Liu, Y. Zhu, G. Wang, Y. Qian, ACS Energy Lett. 2018, 3, 420–427.

14 . S. Nanda, A. Bhargav, A. Manthiram, Joule 2020, 4, 1121–1135.

15 . Z. Wu, G. Liang, W. K. Pang, T. Zhou, Z. Cheng, W. Zhang, Y. Liu, B. Johannessen, Z. Guo, Adv. Mater. 2020, 32, 1905632.

樂研相關產品推薦

LY	中文名	純度
1251013	碲錠	99.99% (metals basis)
1251017	碲粉	-30 目, 99.99% (metals basis)
1251018	碲粉	-325 目, 99.99% (metals basis)
1251015	碲粉	-200 目, 99.999% (metals basis)
1251019	碲塊	99.999+% (metals basis)
1199402	碲粉	-100目, 99%
1251014	碲粉	-18+60 目, 99.999% (metals basis)
1251020	碲塊	通常 12mm (0.47in), 99.9999% (metals basis)
1215837	碲化鉍	99.99% (metals basis)
1251022	碲碎錠	99.9999+% (metals basis)
1251023	碲丸	2-5mm (0.08-0.20in) 直徑, 99.9999% (metals basis)
1215316	碲化鉛	99.9%
1215355	碲化亞銅(I)	99.99% metals basis
1215235	碲化鋅	99.99% metals basis
1251016	碲粉末	-200 目, 99.5% (metals basis)
1216743	碲化鎵(II)	99.999% metals basis
1216748	碲化銦(III)	99.999% metals basis
1215387	碲化汞(II)	99.9%

上一篇：南開大學師唯教授課題組：MOF材料研究進展下一篇：南開大學葉萌春團隊：配體錨定的雙金屬(Ni、Al)協同催化

Select Your Country or Region

儲能領域中的碲和碲化物 2022/06/10 16:48