鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（十八）
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- 分類：鎢新聞
- 發佈於：2024-04-15, 週一 15:55
- 作者 Xiaoting
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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用
隨著科技的不斷進步，人類對能源的需求日益增長，尤其是高效、環保的儲能技術，如鈉離子電池。作為一種重要的過渡金屬元素，鉬（Mo）在鈉離子電池中發揮著至關重要的作用。
據中鎢在線/中鎢智造瞭解，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，其優異的物理和化學性質使得鉬在鈉電池領域具有廣闊的應用前景。
氧化鉬在鈉離子電池中的應用。氧化鉬是一種重要的鉬化合物，具有穩定的晶體結構和較高的理論容量。在電池中，氧化鉬可以作為負極材料，通過鈉離子的嵌入和脫嵌來實現電池的充放電過程。研究表明，通過優化氧化鉬的製備方法和結構，可以進一步提高其電化學性能，從而提高電池的能量密度和迴圈壽命。
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還具有較高的電導率和良好的電化學穩定性，這有助於提高鈉電池的充放電速率和迴圈穩定性。值得注意的是，為了克服MoS2在充放電過程中可能出現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電材料複合或設計製備具有異質結構的MoS2材料，來進一步提高其電化學性能。
二硒化鉬在鈉離子電池中的應用備受關注。二硒化鉬具有較高的理論容量和良好的迴圈穩定性，這使得它成為一種具有潛力的鈉電池負極材料。為了進一步提高MoSe2的電化學性能，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複合，來優化其結構和性能。這些改進不僅提高了MoSe2的導電性和介面結合能力，還緩解了體積效應，從而提高了電極材料的迴圈穩定性和倍率性能。
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迴圈性能，這使得它成為一種有競爭力的電極材料。研究者通過優化鉬酸鋰的製備工藝和結構，以及探索其與其他材料的複合方式，來進一步提高其電化學性能，從而推動鈉離子電池在實際應用中的發展。
總的來說，鉬及其化合物在鈉離子電池中的應用具有廣泛的前景和潛力。通過深入研究鉬化合物的性質和應用，我們可以不斷優化鈉離子電池的性能，推動其在能源儲存領域的廣泛應用。然而，我們也要認識到，鈉離子電池的發展仍面臨著諸多挑戰，如成本、安全性、壽命等問題。因此，我們需要繼續加大研發力度，探索新的材料和技術，為鈉離子電池的發展貢獻力量。
18.1 氧化鉬在鈉離子電池中的應用
隨著新能源技術的快速發展，鈉離子電池作為一種新興的電池技術，正逐漸引起科研人員和工業界的廣泛關注。相較于傳統的鋰離子電池，鈉電池在資源豐富性、成本以及環境友好性等方面具有顯著優勢。然而，鈉電池的性能提升仍受限於其負極材料的性能。因此，尋找高性能的鈉電池負極材料成為了當前研究的重點。在眾多候選材料中，氧化鉬以其獨特的物理和化學性質，在鈉離子電池負極材料領域展現出了巨大的應用潛力。
氧化鉬具有多種晶體結構，如三氧化鉬（MoO3）和二氧化鉬（MoO2）等。這些結構使得氧化鉬具有優異的電導率和離子擴散性能。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異的電化學性能。
氧化鉬作為鈉離子電池負極材料，具有諸多優勢。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用場景。其次，氧化鉬的嵌鈉電位較低，有助於提升鈉離子電池的工作電壓，從而提高電池的能量效率。最後，氧化鉬的離子擴散性能優異，有助於實現鈉電池的快速充放電，滿足高功率需求。
在實際應用中，氧化鉬負極材料展現出了良好的電化學性能。通過優化製備工藝和結構設計，可以實現氧化鉬負極材料的高容量、長迴圈壽命和良好的倍率性能。例如，納米化技術可以顯著提高氧化鉬的比表面積和離子擴散速率，從而提升其電化學性能。同時，複合化技術可以將氧化鉬與其他材料相結合，形成具有優異性能的複合材料，進一步提升鈉離子電池的性能。
總之，氧化鉬作為一種具有獨特性質和優異性能的材料，在鈉離子電池負極材料領域具有廣闊的應用前景。通過不斷優化製備工藝和結構設計，我們可以充分發揮氧化鉬的優勢，推動鈉離子電池在實際應用中的發展，為新能源技術的快速發展做出重要貢獻。
18.1.1 鈉離子電池負極材料用二氧化鉬
18.1.2 鈉離子電池負極材料用三氧化鉬
18.1.3 鈉離子電池負極材料用氧化鉬的挑戰
18.2 二硫化鉬在鈉離子電池中的應用
18.2.1 鈉離子電池負極材料用二硫化鉬複合材料
18.2.2 鈉離子電池負極材料用二硫化鉬的挑戰
18.3 二硒化鉬在鈉離子電池中的應用
隨著科技的不斷進步和全球能源需求的日益增長，開發高效、環保的能源存儲技術成為了當前研究的熱點。鈉離子電池，作為一種新興的電池技術，因其鈉資源的豐富性和低成本優勢，被認為是未來能源存儲領域的重要發展方向。而二硒化鉬，作為一種具有優異電學性能的二維材料，其在鈉離子電池中的應用也受到了廣泛關注。
二硒化鉬（MoSe2）是一種具有層狀三明治結構的過渡金屬硒化物。其結構中的鉬原子和硒原子通過共價鍵連接，形成了穩定的二維層狀結構。這種結構賦予了二硒化鉬獨特的物理和化學性質，如較高的電導率、較大的層間距以及適中的理論容量等。這些特性使得MoSe2在能源存儲領域具有潛在的應用價值。
鈉離子電池的負極材料對於電池的性能具有重要影響。MoSe2因其較高的理論容量和優異的電導率，被認為是鈉電池負極材料的理想選擇。通過將MoSe2與碳材料複合或調控其尺寸，可以進一步提高其電化學性能。例如，研究人員通過靜電紡絲、硒化及碳化過程，設計製造了具有多通道電子傳輸路徑的氮摻雜雙碳殼層MoSe2納米材料（MoSe2/MCFs@NC）。這種結構具有三維連通的導電網路、豐富的空隙和足夠的電子傳輸路徑，有助於適應鈉離子脫嵌帶來的體積膨脹應力，並加快電荷轉移動力學。作為鈉離子電池負極材料時，MoSe2/MCFs@NC表現出高的比容量（10A/g電流密度下為319mAh/g）和優異的迴圈穩定性。
二硒化鉬在鈉離子電池中的儲鈉機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極材料MoSe2的表面，並嵌入到其層間結構中。這一過程伴隨著電子從負極流向正極，形成了電池的充電狀態。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極，實現了電池的放電過程。
為了提高二硒化鉬在鈉離子電池中的性能，研究者們採取了多種策略。首先，通過調控MoSe2的納米結構，如製備納米片、納米線等形貌，可以增大其比表面積和反應活性位點，從而提高鈉離子的嵌入和脫出效率。其次，將MoSe2與其他材料複合也是一種有效的性能優化手段。例如，與碳材料複合可以提高電極的導電性和迴圈穩定性；與金屬氧化物或硫化物複合則可以利用協同效應提升電池的能量密度和功率密度。
儘管二硒化鉬在鈉離子電池中展現出了優異的性能和應用前景，但仍存在一些挑戰需要克服。首先，MoSe2的製備工藝需要進一步優化，以實現大規模、低成本的生產。其次，如何提高MoSe2的迴圈穩定性和倍率性能，以滿足實際應用的需求，也是當前研究的重點。此外，還需要深入研究MoSe2在鈉離子電池中的失效機制和性能衰減原因，以指導材料設計和性能優化。
18.3.1 鈉離子電池負極材料用二硒化鉬複合材料
隨著能源危機和環境問題的日益嚴重，新能源技術的發展成為了全球範圍內的研究熱點。鋰離子電池作為目前應用最廣泛的儲能技術之一，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。然而，鋰資源的有限性限制了鋰離子電池的長期發展。因此，尋找替代鋰資源的儲能技術成為了迫切的需求。
鈉離子電池作為一種潛在的替代技術，因其鈉元素資源豐富、價格低廉以及反應機制與鋰離子電池相似等優點而備受關注。然而，鈉電池電極材料的性能仍然面臨著一些挑戰，如離子半徑較大導致的擴散能壘升高和迴圈性能、倍率性能較差等問題。因此，探尋具有較高迴圈穩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。
二硒化鉬作為一種層狀三明治結構的過渡金屬硒化物，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，被認為是理想的鈉電池負極材料之一。然而，MoSe2仍存在導電性較低和體積效應偏大等問題，這限制了其在鈉離子電池中的應用。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行複合，形成MoSe2/C複合納米結構。這種複合結構不僅能夠提高電極材料的導電性能，還能有效緩解體積效應，從而改善迴圈穩定性和倍率性能。
近期，山東大學楊劍教授課題組設計並製備了氮、磷共摻雜碳納米片負載的二硒化鉬複合電極材料（MoSe2/N,P-rGO）。這種複合材料結合了MoSe2的高容量特性和摻雜碳材料的高導電性能，展現出了優異的電化學性能。在0.5A/g的電流密度下迴圈1000圈後，其可逆容量仍保持在378mAh/g。即使在5A/g的高電流密度下迴圈1000圈，容量也能維持在232mAh/g。結果表明，氮、磷共摻雜碳納米片的引入顯著提高了二硒化鉬的迴圈穩定性和倍率性能。研究者發現，氮、磷共摻雜碳材料與放電產物之間具有較強的相互作用，這有助於穩定電極結構並減少體積效應。這種協同效應為鈉離子電池迴圈穩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照片等技術揭示了MoSe2的儲鈉機制。他們發現，在充放電過程中，鈉離子在MoSe2的層間進行可逆的嵌入和脫出，實現了高效的能量存儲和釋放。這一機制為MoSe2在鈉電池中的應用提供了理論支援。
為了進一步驗證MoSe2/N,P-rGO複合材料的實際應用潛力，研究者將其與磷酸釩鈉組裝為鈉離子全電池。測試結果表明，該全電池展現出了良好的迴圈穩定性和倍率性能，證實了MoSe2/N,P-rGO複合材料在鈉離子電池中的應用價值。
綜上所述，氮、磷共摻雜碳納米片負載的二硒化鉬複合電極材料在鈉離子電池中展現出了優異的電化學性能。通過調控材料結構和引入雜原子摻雜，研究者成功解決了二硒化鉬導電性較低和體積效應偏大等問題，提高了其迴圈穩定性和倍率性能。這一研究成果為鈉離子電池負極材料的開發提供了新的思路和途徑，有望推動鈉離子電池技術的快速發展和商業化應用。
18.3.2 鈉離子電池負極材料用二硒化鉬的挑戰
18.4 鉬酸鋰在鈉離子電池中的應用
18.4.1 鈉離子電池負極材料用鉬酸鋰
18.4.2 鈉離子電池負極材料用鉬酸鋰的挑戰
18.5 鉬酸鐵在鈉離子電池中的應用
18.5.1 鈉離子電池負極材料用鉬酸鐵
隨著能源存儲技術的快速發展，鈉離子電池作為一種潛在的大規模儲能技術，近年來受到了廣泛關注。在鈉離子電池中，負極材料的選擇對於電池的性能至關重要。鉬酸鐵作為一種新型的負極材料，因其獨特的晶體結構和優異的電化學性能，展現出了廣闊的應用前景。
鉬酸鐵的晶體結構屬於正交晶系，空間群為Pbcn。其晶體結構由FeO6八面體和MoO4四面體通過共用頂點氧原子相互連接而成，形成了三維的框架結構。該結構為鈉離子的嵌入和脫出提供了良好的通道，使得Fe2(MoO4)3在作為負極材料時具有優異的離子傳輸性能。
鉬酸鐵是一種無機固體，通常呈現為黃色或棕色粉末。它具有較高的熱穩定性和化學穩定性，能夠在較寬的溫度範圍內保持其結構和性能的穩定。此外，Fe2(MoO4)3還具有良好的電子導電性和離子傳輸性能，這使得它在電化學領域具有廣泛的應用前景。
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的晶體結構在鈉離子的嵌入和脫出過程中能夠保持相對穩定，使得電池具有較長的迴圈壽命。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。
鉬酸鐵的製備工藝多種多樣，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於原料的可用性、工藝條件以及所需產品的性能要求。在製備過程中，需要嚴格控制原料的配比、反應溫度和時間等參數，以獲得具有理想結構和性能的鉬酸鐵材料。
作為鈉離子電池的負極材料，鉬酸鐵展現出了優異的電化學性能。在充放電過程中，鈉離子可以在Fe2(MoO4)3的晶體結構中嵌入和脫出，從而實現電能的存儲和釋放。通過優化製備工藝和電極結構，可以進一步提高Fe2(MoO4)3負極材料的電化學性能。
鉬酸鐵作為鈉離子電池負極材料時，其充放電過程中的反應方程式可以表示為：
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量，e-表示電子。通過調整x的值，可以控制電池的充放電狀態和能量密度。
在實際應用中，鉬酸鐵負極材料的電化學性能可以通過迴圈伏安法、恒流充放電測試等手段進行表徵。通過測試不同條件下的充放電曲線、迴圈性能以及倍率性能等參數，可以評估鉬酸鐵負極材料的優劣，並為其在實際應用中的優化提供指導。
18.5.2 鈉離子電池負極材料用鉬酸鐵的挑戰
18.6 鉬酸鎳在鈉離子電池中的應用
18.6.1 鈉離子電池負極材料用鉬酸鎳
18.6.2 鈉離子電池電極材料用鉬酸鎳的挑戰
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