journal article·2014-10-14Open access

Precisely Engineered Colloidal Nanoparticles and Nanocrystals for Li-Ion and Na-Ion Batteries: Model Systems or Practical Solutions?

Marek F. Oszajca, Maryna I. Bodnarchuk, Maksym V. Kovalenko

Chemistry of Materials· Volume 26· Issue 19

Abstract

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide In recent years, the search for new electrode materials for rechargeable Li-ion batteries has undergone a drastic shift toward nanomaterials. A similar tendency is expected to occur for the conceptually similar Na-ion batteries. Due to very short internal diffusion paths, nanoscale materials are far less limited by their ionic or electronic conductivities than their bulk counterparts. Nanomaterials can also withstand much greater mechanical deformation during charge/discharge cycling. Overall, these favorable effects significantly enlarge the variety of inorganic compounds that can be used as Li and Na ion storage media. Herein, we discuss the perspectives of a specific family of nanomaterials—monodisperse colloidal nanocrystals and nanoparticles—for controlling and studying the effects of size, composition, and morphology on electrochemical properties. Despite clear scientific advantages, commercialization of such nanomaterials is presently hampered by their high cost of synthesis, owing to the use of organic solvents and coordination compounds.
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Research context

OpenAlex topics: Advancements in Battery Materials · Advanced Battery Materials and Technologies · Extraction and Separation Processes

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Institute of Inorganic Chemistry, Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zürich, CH-8093 Zürich, Switzerland

Laboratory for Thin films and Photovoltaics, Empa − Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, CH-8600 Dübendorf, Switzerland

Funding

Commission for Technology and Innovation · Swiss Competence Centers for Energy Research

References (99)

Show source-provided references
1. Palacin M. R. · Chem. Soc. Rev. · 2009 · 38 · 256510.1039/b820555h ↗
2. Goodenough J. B. · Chem. Mater. · 2009 · 22 · 58710.1021/cm901452z ↗
3. Dang C. · Nat. Nanotechnol. · 2012 · 7 · 33510.1038/nnano.2012.61 ↗
4. Hayner C. M. · Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. · 2012 · 3 · 44510.1146/annurev-chembioeng-062011-081024 ↗
5. Kim M. G. · J. Electrochem. Soc. · 2009 · 156 · A27710.1149/1.3073877 ↗
6. Magasinski A. · Nat. Mater. · 2010 · 9 · 35310.1038/nmat2725 ↗
7. Chockla A. M. · Chem. Mater. · 2012 · 24 · 373810.1021/cm301968b ↗
8. Kovalenko I. · Science · 2011 · 333 · 7510.1126/science.1209150 ↗
9. Beattie S. D. · J. Electrochem. Soc. · 2008 · 155 · 15810.1149/1.2817828 ↗
10. Chan C. K. · Nat. Nanotechnol. · 2008 · 3 · 3110.1038/nnano.2007.411 ↗
11. Yoon S. · Electrochem. Solid-State Lett. · 2008 · 11 · A4210.1149/1.2836481 ↗
12. Luber E. J. · ACS Nano · 2013 · 7 · 470810.1021/nn402883g ↗
13. Dunn, J. B.; Gaines, L.; Barnes, M.; Sullivan, J.; Wang, M.http://greet.es.anl.gov/files/lib-lca (2012) .
14. Gogotsi Y. · Science · 2011 · 334 · 91710.1126/science.1213003 ↗
15. Nitta N. · Part. Part. Syst. Charact. · 2014 · 31 · 31710.1002/ppsc.201300231 ↗
16. Palomares V. · Energy Environ. Sci. · 2012 · 5 · 588410.1039/c2ee02781j ↗
17. Larcher D. · J. Mater. Chem. · 2007 · 17 · 375910.1039/b705421c ↗
18. Ge P. · Solid State Ionics · 1988 · 28 · 117210.1016/0167-2738(88)90351-7 ↗
19. Park Y.-U. · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 1387010.1021/ja406016j ↗
20. Kim Y. · Adv. Mater. · 2013 · 25 · 304510.1002/adma.201204877 ↗
21. He M. · Nano Lett. · 2014 · 14 · 125510.1021/nl404165c ↗
22. Yamada Y. · J. Power Sources · 2011 · 196 · 483710.1016/j.jpowsour.2011.01.060 ↗
23. Ong S. P. · Energy Environ. Sci. · 2011 · 4 · 368010.1039/c1ee01782a ↗
24. Bruce P. G. · Angew. Chem., Int. Ed. · 2008 · 47 · 293010.1002/anie.200702505 ↗
25. Wagemaker M. · Acc. Chem. Res. · 2013 · 46 · 120610.1021/ar2001793 ↗
26. Wang F. · J. Am. Chem. Soc. · 2011 · 133 · 1882810.1021/ja206268a ↗
27. Liu X. H. · ACS Nano · 2012 · 6 · 152210.1021/nn204476h ↗
28. Aifantis K. E. · Mater. Sci. Eng., A · 2011 · 529 · 5510.1016/j.msea.2011.08.060 ↗
29. Wang H. · J. Am. Chem. Soc. · 2010 · 132 · 1397810.1021/ja105296a ↗
30. Xu X. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 498810.1021/nl302618s ↗
31. Xu Y. · Nano Lett. · 2013 · 13 · 47010.1021/nl303823k ↗
32. Klavetter K. C. · J. Power Sources · 2013 · 238 · 12310.1016/j.jpowsour.2013.02.091 ↗
33. Maier J. · Chem. Mater. · 2014 · 26 · 34810.1021/cm4021657 ↗
34. Li N. · J. Mater. Chem. A · 2014 · 2 · 252610.1039/c3ta14217e ↗
35. Yuan F.-W. · Chem. Mater. · 2014 · 26 · 217210.1021/cm5002016 ↗
36. Yu W.-J. · J. Mater. Chem. · 2012 · 22 · 1375610.1039/c2jm31442h ↗
37. Maier J. · J. Power Sources · 2007 · 174 · 56910.1016/j.jpowsour.2007.06.246 ↗
38. Jamnik J. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2003 · 5 · 521510.1039/b309130a ↗
39. Okubo M. · ACS Nano · 2010 · 4 · 74110.1021/nn9012065 ↗
40. Ganapathy S. · ACS Nano · 2012 · 6 · 870210.1021/nn302278m ↗
41. Murray C. B. · J. Am. Chem. Soc. · 1993 · 115 · 870610.1021/ja00072a025 ↗
42. Talapin D. V. · Chem. Rev. · 2010 · 110 · 38910.1021/cr900137k ↗
43. Murray C. B. · Annu. Rev. Mater. Sci. · 2000 · 30 · 54510.1146/annurev.matsci.30.1.545 ↗
44. Park J. · Angew. Chem., Int. Ed. · 2007 · 46 · 463010.1002/anie.200603148 ↗
45. Park J. · Nat. Mater. · 2004 · 3 · 89110.1038/nmat1251 ↗
46. Kramer I. J. · Chem. Rev. · 2013 · 114 · 86310.1021/cr400299t ↗
47. Wiaderek K. M. · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 621110.1021/ja501854y ↗
48. Wiaderek K. M. · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 407010.1021/ja400229v ↗
49. Rosen E. L. · Angew. Chem., Int. Ed. · 2011 · 51 · 68410.1002/anie.201105996 ↗
50. Buonsanti R. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 387210.1021/nl302206s ↗
51. Kovalenko M. V. · J. Am. Chem. Soc. · 2010 · 132 · 1008510.1021/ja1024832 ↗
52. Nag A. · J. Am. Chem. Soc. · 2011 · 133 · 1061210.1021/ja2029415 ↗
53. Talapin D. V. · Science · 2005 · 310 · 8610.1126/science.1116703 ↗
54. Lee S. H. · Nano Lett. · 2013 · 13 · 424910.1021/nl401952h ↗
55. Lee J. E. · Energy Environ. Sci. · 2012 · 5 · 952810.1039/c2ee22792d ↗
56. Jang B. · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 1501010.1021/ja305539r ↗
57. Zhuang J. Q. · J. Am. Chem. Soc. · 2007 · 129 · 1416610.1021/ja076494i ↗
58. Bai F. · Angew. Chem., Int. Ed. · 2007 · 46 · 665010.1002/anie.200701355 ↗
59. Martin C. · Nat. Nanotechnol. · 2014 · 9 · 32710.1038/nnano.2014.92 ↗
60. Dong A. · J. Am. Chem. Soc. · 2011 · 133 · 1329610.1021/ja2057314 ↗
61. Wang T. · Sci. Rep. · 2013 · 3 · 269310.1038/srep02693 ↗
62. Kravchyk K. · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 419910.1021/ja312604r ↗
63. Liu N. · Nat. Nanotechnol. · 2014 · 9 · 18710.1038/nnano.2014.6 ↗
64. Courtney I. A. · J. Electrochem. Soc. · 1997 · 144 · 204510.1149/1.1837740 ↗
65. Xu L. · Nano Lett. · 2013 · 13 · 180010.1021/nl400418c ↗
66. Baggetto L. · J. Electrochem. Soc. · 2009 · 156 · A16910.1149/1.3055984 ↗
67. Fuller C. S. · Phys. Rev. · 1954 · 96 · 2110.1103/PhysRev.96.21 ↗
68. Bodnarchuk M. I. · ACS Nano · 2014 · 8 · 236010.1021/nn4058227 ↗
69. Park C.-M. · Chem. Soc. Rev. · 2010 · 39 · 311510.1039/b919877f ↗
70. Hewitt K. C. · J. Electrochem. Soc. · 2001 · 148 · A40210.1149/1.1359194 ↗
71. Wang J. · J. Electrochem. Soc. · 1986 · 133 · 45710.1149/1.2108601 ↗
72. Darwiche A. · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 2080510.1021/ja310347x ↗
73. Heß M. · Electrochim. Acta · 2013 · 106 · 14910.1016/j.electacta.2013.05.056 ↗
74. Nakahara K. · J. Power Sources · 2003 · 117 · 13110.1016/S0378-7753(03)00169-1 ↗
75. Murugesan S. · Chem. Mater. · 2012 · 24 · 130610.1021/cm2037475 ↗
76. Song T. · J. Phys. Chem. Lett. · 2014 · 5 · 72010.1021/jz4027979 ↗
77. Bogart T. D. · ACS Nano · 2014 · 8 · 91510.1021/nn405710w ↗
78. Hanrath T. · Adv. Mater. · 2003 · 15 · 43710.1002/adma.200390101 ↗
79. Koo B. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 242910.1021/nl3004286 ↗
80. Koo B. · Chem. Mater. · 2013 · 25 · 24510.1021/cm303611z ↗
81. Oh M. H. · Science · 2013 · 340 · 96410.1126/science.1234751 ↗
82. Wang Z. · Adv. Mater. · 2012 · 24 · 412410.1002/adma.201104546 ↗
83. Jia X. · ACS Nano · 2012 · 6 · 991110.1021/nn303478e ↗
84. Wang D.-S. · Chem.—Eur. J. · 2008 · 14 · 250710.1002/chem.200701668 ↗
85. Ha D.-H. · Nano Lett. · 2012 · 12 · 512210.1021/nl3019559 ↗
86. Liu J. · RSC Adv. · 2012 · 2 · 226210.1039/c2ra01241c ↗
87. Choi C. S. · Electrochim. Acta · 2012 · 70 · 9810.1016/j.electacta.2012.03.037 ↗
88. Bresser D. · J. Power Sources · 2012 · 206 · 30110.1016/j.jpowsour.2011.12.051 ↗
89. Ming J. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2013 · 5 · 213310.1021/am303178g ↗
90. Li W. · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 1830010.1021/ja4100723 ↗
91. Jin Y.-H. · Nanotechnology · 2012 · 23 · 12540210.1088/0957-4484/23/12/125402 ↗
92. Cheng F. · Electrochim. Acta · 2011 · 56 · 559310.1016/j.electacta.2011.04.002 ↗
93. Kwon N. H. · Electrochim. Acta · 2012 · 69 · 3810.1016/j.electacta.2012.02.040 ↗
94. Rangappa D. · J. Mater. Chem. · 2011 · 21 · 1581310.1039/c1jm12208h ↗
95. Doi T. · Cryst. Growth Des. · 2009 · 9 · 499010.1021/cg900452a ↗
96. Tarascon J.-M. · Philos. Trans. R. Soc. A · 2010 · 368 · 322710.1098/rsta.2010.0112 ↗
97. Supran G. J. · MRS Bull. · 2013 · 38 · 70310.1557/mrs.2013.181 ↗
98. Myung S.-T. · J. Phys. Chem. Lett. · 2014 · 5 · 67110.1021/jz402691z ↗
99. Thackeray M. M. · J. Mater. Chem. · 2007 · 17 · 311210.1039/b702425h ↗