20190709 JACS：通過在富鋰Mn基層狀正極中的熱驅(qū)動Li再分布實現(xiàn)表面-體相氧化還原耦合
富含鋰和錳的（LMR）層狀正極材料由于兼具過渡金屬陽離子和氧陰離子的氧化還原中心而展示出高的比容量和比能量密度。盡管在室溫下研究LMR正極中電化學(xué)驅(qū)動的氧化還原演變已經(jīng)付出了巨大的努力，但是它們在溫和升高溫度（高達(dá)~100℃）下的行為在很大程度上仍然未被探索。
SLAC國家加速器實驗室Jun-Sik Lee和Yijin Liu與布魯克海文國家實驗室Enyuan Hu團(tuán)隊系統(tǒng)地研究了LMR正極在充電狀態(tài)下的熱驅(qū)動演變，結(jié)果表明，顯著的晶格轉(zhuǎn)變、分解和氧釋放僅發(fā)生在~200 ℃及以上的溫度條件下。此外，研究者對充電后的Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2在~100 ℃的溫和升高溫度下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更深入的研究。在充電后的LMR的體相（數(shù)百納米的探測深度）中，溫和的溫度升高會增加O2-陰離子的氧化，但不會增加TM陽離子的氧化。為了補償體內(nèi)氧陰離子的電子釋放，發(fā)現(xiàn)顆粒表面的TM陽離子（Ni，Mn和Co）（探測深度約為5 nm）與室溫相比具有降低的價態(tài)，也就是說，體相氧陰離子和表面過渡金屬陽離子之間發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移。經(jīng)研究表明，這種表面-體相氧化還原耦合效應(yīng)是由熱驅(qū)動的Li離子從體相擴(kuò)散到表面引起的，導(dǎo)致LMR正極材料中Li離子的重新分布。該發(fā)現(xiàn)強調(diào)了在溫和的溫度擾動下，在深度脫鋰狀態(tài)下LMR材料的非平衡狀態(tài)和動態(tài)性質(zhì)。這種再分配可能對電池操作和高溫下的安全性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
Shaofeng Li, Sang-Jun Lee, Xuelong Wang, Wanli Yang, Hai Huang, Daniel S. Swetz, William B. Doriese, Galen C. O'Neil, Joel N. Ullom, Charles J. Titus, Kent D. Irwin, Han-Koo Lee, Dennis Nordlund, Piero A. Pianetta, Chang Yu, Jieshan Qiu, Xiqian Yu, Xiao-Qing Yang, Enyuan Hu, Jun-Sik Lee, Yijin Liu, Surface-to-bulk redox coupling through thermally-driven Li redistribution in Li- and Mn-rich layered cathode materials, J. Am. Chem. Soc.2019
DOI: 10.1021/jacs.9b05349
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b05349
20190711 ACS Energy Lett.：NaCl作為鈉離子電池電極材料
氯化鈉（NaCl），一種典型的離子化合物，但在高壓下能夠破壞化學(xué)的所有基本規(guī)則，并且可以形成具有不同的NaxCl化學(xué)計量的新金屬化合物，其中x>1。然而，迄今為止還沒有實現(xiàn)NaCl從絕緣狀態(tài)到?jīng)]有加壓的金屬狀態(tài)的電化學(xué)相變。
韓國科學(xué)技術(shù)研究所Kyung Yoon Chung團(tuán)隊受先前在高壓下NaCl金屬化的研究啟發(fā)，報道了一種簡單的活化方法使NaCl具有電化學(xué)活性，證明非金屬NaCl可以通過電化學(xué)活化過程轉(zhuǎn)化為金屬化合物，并將其用作鈉離子電池NIB的電極材料。具體是通過電化學(xué)誘導(dǎo)晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷來實現(xiàn)NaCl的金屬化，為了使該化合物具有電化學(xué)活性，通過預(yù)充電步驟有意地誘導(dǎo)空位，導(dǎo)致從B1-到B2-NaCl的部分相變?；罨腘aCl電極顯示出嵌入/脫嵌鈉離子進(jìn)入結(jié)構(gòu)中，通過可逆地容納0.6個Na離子，放電容量達(dá)到267mAh g-1。在放電過程鈉離子嵌入到NaCl結(jié)構(gòu)中時，電化學(xué)活性的B2-NaCl相可以有效地容納鈉離子并形成富鈉化合物（NaxCl，x>1）。
Iqra Moeez, Hee-Dae Lim, Jae-Ho Park, Hun-Gi Jung, Kyung Yoon Chung, Electrochemically induced metallization of NaCl: Use of the main component of salt as a cost-effective electrode material for sodium-ion batteries, ACS Energy Letters, 2019.
DOI: 10.1021/acsenergylett.9b01118
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b01118
20190712 Angew：碳/g-C3N4復(fù)合負(fù)極助力長壽命鈉離子電池
二維石墨化的g-C3N4憑借其易于制備、低成本、高化學(xué)穩(wěn)定性和潛在的優(yōu)異倍率性能而被認(rèn)為是一種有前途的鈉離子電池負(fù)極材料。然而，原始的g-C3N4電子電導(dǎo)率低、可逆儲鈉容量有限且循環(huán)穩(wěn)定性不足。在本文中，紐約大學(xué)的Andre D. Taylor等通過理論計算發(fā)現(xiàn)g-C3N4儲鈉性能不佳是由于鈉離子在其納米片層中擴(kuò)散能壘較大。他們將低成本的尿素和瀝青混合物一鍋加熱獲得了具有優(yōu)異儲鈉性能、高儲鈉容量（2倍于普通g-C3N4）、優(yōu)異倍率性能和長效循環(huán)穩(wěn)定性的多層C/g-C3N4復(fù)合鈉離子電池負(fù)極材料。他們將C/g-C3N4復(fù)合負(fù)極與二鹽基銠酸鈉正極匹配的全電池庫倫效率高達(dá)99.8%，在1A/g的大電流下循環(huán)14000周后容量衰減可忽略不計。該材料為發(fā)展低成本高性能鈉離子電池提供了解決方案。
Guoming Weng, Andre D. Taylor et al, A promising carbon/g-C3N4 composite negative electrode for a long-life sodium-ion battery, Angew. Chem. Int. Ed.,2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201905803?af=R
20190702 Angew：冰作為固體電解質(zhì)來傳輸各種離子
溶解鹽的通用溶劑--水已經(jīng)作為電化學(xué)裝置中的液體電解質(zhì)被廣泛研究。 在0℃左右的水/冰相轉(zhuǎn)變在自然界中是常見現(xiàn)象，然而，冰的化學(xué)和電化學(xué)行為很少被研究。
清華大學(xué)Hui Wu課題組發(fā)現(xiàn)冰相能夠提供了有效的離子傳輸通道，證明冷凍水溶液仍然是離子導(dǎo)電的，可以用作通用的固態(tài)離子導(dǎo)體。研究者通過超快速冷凍水溶液，開發(fā)了一系列新的低溫固態(tài)離子導(dǎo)電冰（ICI），通過冷凍含有不同陽離子的硫酸鹽（Li+，Na+，Mg2+，Al3+，K+，Mn2+，F(xiàn)e2+，Co2+，Ni2+，Cu2+和Zn2+）得到的ICI表現(xiàn)出約10-7 S cm-1的離子電導(dǎo)率（Zn2+）至~10-3 S cm-1（Li+），溫度范圍為-20℃至-5℃。此外研究者還在-40.0℃和-15.0℃的溫度范圍內(nèi)測試了一組基于硝酸鹽和氯化物的ICI，金屬的電化學(xué)沉積可以通過使用基于CuSO4的ICI實現(xiàn)。
ICI的高離子導(dǎo)電性使其成為一種有前途的新材料體系，為設(shè)計包括電池和超級電容器在內(nèi)的所有固態(tài)儲能裝置提供了新的機會。通過簡單地冷凍鹽水溶液獲得的功能性冰材料為固態(tài)電化學(xué)及其實際應(yīng)用的基本理解開辟了新的途徑。
Hui Wu, Zeliang Guo, Tianshuai Wang, Hehe Wei, Yuanzheng Long, Cheng Yang, Dong Wang, Jialiang Lang, Kai Huang, Naveed Hussain, Chenxi Song, Bo Guan, Binghui Ge, Qianfan Zhang, Ice as Solid Electrolyte to Conduct Various Kinds of Ions, Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201907832
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201907832
20190710 Nano Lett.：MXene與TMD異質(zhì)結(jié)在鈉離子和Na-O2電池中的應(yīng)用
鈉離子電池SIB被視為鋰離子電池的替代品，而它受到低容量的影響。Na-O2電池具有高的能量密度，但它們通常受到高過電位的限制。
蘇州大學(xué)徐來團(tuán)隊構(gòu)建了16種不同的帶有MXenes（裸露和O封端）的TMD異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并探索了它們在SIB和Na-O2電池中的應(yīng)用潛力。研究表明在這些結(jié)構(gòu)中，只有具有O-封端MXenes的VS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以加載五層Na+，而當(dāng)Na+在中間層或第二吸附層中嵌入或擴(kuò)散時，其他的異質(zhì)結(jié)構(gòu)都將變形。Na+的超小擴(kuò)散勢壘表明這些結(jié)構(gòu)具有快速的充電/放電速度，并且0.18V和0.21V的超小開路電壓（OCV）證明是SIB有希望的候選者。 η_ORR/η_OER的超低過電位0.55V/0.20V意味著VS2/Ti2CO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)的O面在Na-O2電池的應(yīng)用中也具有很大的潛力。
Chao Tang, Yuxiang Min, Chongyang Chen, Weiwei Xu, Lai Xu, Potential Applications of Heterostructures of TMDs with MXenes in Sodium-Ion and Na-O2 Batteries, Nano Letters, 2019.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02115
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b02115
20190713 Angew：一種含有Cu2+/Cu+氧化還原電荷載體的四電子硫電極
通常情況下，在電池中如果電荷載體本身具有氧化還原活性，那么離子電荷載體在其中的作用就不僅僅是補償電荷平衡。在本文中，美國俄勒岡州立大學(xué)的Jun Lu與紀(jì)秀磊團(tuán)隊將以Cu2+為電荷載體的硫電極耦合起來并通過S-Cu2S-CuS的連續(xù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)實現(xiàn)了四電子的硫電極反應(yīng)。這種Cu-S氧化還原-離子電極基于硫物種的質(zhì)量可實現(xiàn)高達(dá)3044mAh/g的比容量，基于完全放電產(chǎn)物的Cu2S的質(zhì)量計算的比容量可達(dá)609mAh/g，而且能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)0.5V的S/金屬硫化物的電壓平臺。此外，Cu-S電極表現(xiàn)出低至0.05V的電壓極化，在12.5A/g的高電流密度下循環(huán)1200周后的容量保持率高達(dá)72%。研究人員為了評估該電極的應(yīng)用前景，采用金屬Zn負(fù)極和陰離子交換膜隔膜構(gòu)建了雜化電池。該雜化電池的平均工作電壓高達(dá)1.15V，基于復(fù)合正極計算的半電池能量密度高達(dá)547Wh/kg，其穩(wěn)定循環(huán)仍然可以保持110周。
Xianyong Wu, Jun Lu, Xiulei Ji et al, A Four-Electron Sulfur Electrode Hosting Cu2+/Cu+ Redox Charge Carrier, Angew. Chem. Int. Ed.,2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201905875?af=R
20190709 ACS Nano：親鋰三維多孔集流體實現(xiàn)穩(wěn)健鋰金屬負(fù)極用于鋰硫電池
關(guān)于無枝晶Li金屬負(fù)極的研究為提高Li-S電池的穩(wěn)定性和安全性提供了機會，但目前Li負(fù)極的低容量和低Li利用率阻礙了Li-S電池能量密度的改善。
廈門大學(xué)鄭南峰和方曉亮團(tuán)隊提出了一種簡便的方法，通過用蛋黃-殼結(jié)構(gòu)的N摻雜多孔碳納米片包裹商業(yè)金屬泡沫以用作親鋰型3D多孔集流體，其能夠容納大量的Li并具有引導(dǎo)均勻的Li成核/生長能力。得益于該結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，該集流體能夠助力具有更高的庫侖效率和長壽命的無枝晶Li負(fù)極，使碳/硫正極顯示出增強的穩(wěn)定性（1400次循環(huán)后容量保持率為78.1％），此外，研究者基于該集流體成功構(gòu)建了具有82％ Li利用率的高面積容量（9.84 mAh cm-2）Li-S全電池。
Fei Pei, Ang Fu, Weibin Ye, Jian Peng, Xiaoliang Fang, Ming-Sheng Wang, Nanfeng Zheng, Robust Lithium Metal Anodes Realized by Lithiophilic 3D Porous Current Collectors for Constructing High-Energy Lithium-Sulfur Batteries, ACS Nano, 2019.
DOI: 10.1021/acsnano.9b03784
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b03784
20190711 Chem. Soc. Rev.：石墨中的插層化學(xué)—堿金屬離子及其外延
離子在宿主材料中的可逆嵌入脫出實現(xiàn)能量儲存是搖椅式電池的基本工作原理。與鋰離子電池相比，Na+和K+在石墨中的嵌入脫出存在較大差異。這種差異顯著的主客體相互作用與宿主材料和電解液的性質(zhì)密切相關(guān)，這對于深入了解可在未來實用化的堿金屬離子電池的嵌入式電極材料至關(guān)重要。在本文中，中科院物理所的Yongsheng Hu，倫敦帝國理工學(xué)院的Maria-Magdalena Titirici，里德里奇席勒大學(xué)珍娜分校的Philipp Adelhelm以及薩里大學(xué)的Yaxiang Lu等綜述了幾年來石墨負(fù)極研究的實驗和理論計算的重要進(jìn)展，重點比較了三種堿金屬離子（Li+、Na+、K+）嵌入石墨中的情況。文章旨在闡明石墨插層化合物的主客體關(guān)系和基本機理。此外，作者還討論了為實現(xiàn)有利插層而開發(fā)的新方法以及該領(lǐng)域面臨的諸多挑戰(zhàn)。
Yuqi Li, Yaxiang Lu, Philipp Adelhelm, Maria-Magdalena Titirici, Yongsheng Hu et al, Intercalation chemistry of graphite: alkali metal ions and beyond, Chem. Soc. Rev., 2019
DOI: 10.1039/C9CS00162J
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/CS/C9CS00162J#!divAbstract
20190703 EES綜述：金屬納米粒子限域在CNT中用于能量轉(zhuǎn)換和儲存的最新進(jìn)展
在一維碳納米管中納米限域金屬納米粒子的結(jié)構(gòu)（M@CNTs）是獲得具有獨特物理和化學(xué)性質(zhì)的新功能材料的方式，用于各種能量應(yīng)用并具有增強的性能。在這種獨特的結(jié)構(gòu)中，CNT的內(nèi)腔可以作為納米反應(yīng)器，其直徑為幾納米，長度為微米。將納米金屬限域在CNT中不僅改善了CNT的局部環(huán)境，而且還保護(hù)了金屬的浸出和聚集。
北京大學(xué)郭少軍和鄒如強團(tuán)隊總結(jié)了開發(fā)不同功能納米顆粒的先進(jìn)納米限域方法的最新進(jìn)展，包括金屬，金屬氧化物，金屬硫化物，金屬磷化物和金屬碳化物等，特別關(guān)注它們的催化活性和穩(wěn)定性，以增強鋅空氣電池，Li-O2電池和鋰離子電池的存儲容量，所展示的實施例提供了對用于電催化劑和電極的M@CNT的理解。最后，展望了M@CNT用于電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和存儲設(shè)備方面的挑戰(zhàn)和未來前景。
Hassina Tabassum, Asif Mahmood, Bingjun Zhu, Zibin Liang, Ruiqin Zhong, Shaojun Guo, Ruqiang Zou, Recent Advances in Confining Metal-based Nanoparticles into Carbon Nanotubes for Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices, Energy Environ. Sci., 2019,
DOI: 10.1039/C9EE00315K
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee00315k#!divAbstract
20190708 ACS Energy Lett.：由EQCM-D和SEM成像Li電池電極中擴(kuò)散誘導(dǎo)的瞬態(tài)應(yīng)力
鋰離子電池的快速充電通常伴隨著電極材料的快速膨脹，導(dǎo)致在電極體內(nèi)出現(xiàn)瞬態(tài)應(yīng)力。盡管該現(xiàn)象從理論上被預(yù)測，但從未被直接的原位測量跟蹤。以色列巴伊蘭大學(xué)Doron Aurbach和北京工業(yè)大學(xué)張躍飛團(tuán)隊利用具有耗散監(jiān)測的多諧波電化學(xué)石英晶體微天平（EQCM-D），以巨共振頻率和共振寬度位移的形式獲得了LiFePO4電極中強瞬態(tài)變形的聲像，并通過SEM驗證裂縫的形成。此外，研究者也確定了充電速率、聚合物粘合劑的強度和溶液濃度的影響。 EQCM-D吸引人的特點是其對選擇性探測操作電極的平均力學(xué)特性的高靈敏度，特別是與電極循環(huán)性能直接相關(guān)的顆粒-粘合劑相互作用。使用EQCM-D可以智能地設(shè)計一種廉價、簡單、快速的電池電極結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測方法。
Netanel Shpigel, Mikhael Levi, Xiaopeng Cheng, Tianci Cao, Rui Wu, Tyler S. Mathis, Yuefei Zhang, Doron Aurbach, Yury Gogotsi, Diffusion-Induced Transient Stresses in Li-Battery Electrodes Imaged by EQCM-D and Environmental SEM, ACS Energy Letters, 2019.
DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00884
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b00884
20190712 Joule：表征鋰-固態(tài)電解質(zhì)界面動力學(xué)與堆壓和電流密度的關(guān)系
將傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)用固態(tài)電解質(zhì)進(jìn)行取代能夠有效解決高比能鋰金屬電池的安全問題。但是，圍繞著固-固界面仍然存在著諸多問題，更好地理解鋰金屬-固態(tài)電解質(zhì)界面對于解決這些問題十分關(guān)鍵。在本文中，美國密歇根大學(xué)的Jeff Sakamoto團(tuán)隊利用堆壓對鋰-電解質(zhì)電池在恒流循環(huán)過程中的力學(xué)與電化學(xué)行為的關(guān)系進(jìn)行了研究。他們使用Li7La3Zr2O12固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)建了對稱電池并在動態(tài)堆壓條件下進(jìn)行了直流技術(shù)和交流技術(shù)的測試。研究發(fā)現(xiàn)在高于臨界堆壓條件下恒流充放電過程中對稱電池會發(fā)生嚴(yán)重的極化。他們借助參比電極將鋰剝離行為對該效應(yīng)的影響進(jìn)行了排除。這表明在低壓條件下，鋰剝離速率超過了機械變形補充界面的速率，從而導(dǎo)致空隙的形成，最終增加了界面阻力。該工作不僅激發(fā)了對鋰金屬-固體電解質(zhì)界面進(jìn)一步了解的需求，而且為未來所有固態(tài)電池的設(shè)計提供了指導(dǎo)。
Michael J. Wang, Jeff Sakamoto et al, Characterizing the Li-Solid-Electrolyte Interface Dynamics as a Function of Stack Pressure and Current Density, Joule, 2019
DOI: 10.1016/j.joule.2019.06.017
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30308-3?rss=yes#
20190709 Nano Energy：原位觀察全固態(tài)鋰金屬電池中的鋰沉積行為
具有最高理論比容量和最低氧化還原電勢的金屬鋰被認(rèn)為是新一代高比能電池中最具前景的負(fù)極材料。由于活潑的金屬鋰會與各種有機溶劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此采用固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)吸引了很多關(guān)注。然而，在全固態(tài)鋰金屬電池中伴隨著鋰的沉積-剝離循環(huán)仍然會發(fā)生不可控的枝晶生長和嚴(yán)重的界面波動，這時會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路或者容量衰減。在本文中，中科院高能物理所的Tianjiao Liang和物理所的Hong Li以及美國馬里蘭大學(xué)的Howard Wang 等采用中子深度剖面（NDP）這種高靈敏度和高分辨率的技術(shù)對Li/LLZTO/Ti固態(tài)電池中的鋰沉積行為進(jìn)行了觀測。他們通過實驗并結(jié)合理論模型發(fā)現(xiàn)大量的金屬鋰能夠在三維Ti集流體中的孔洞中發(fā)生沉積，這種行為能夠消除固態(tài)電解質(zhì)-電極界面的衰退并有效抑制鋰枝晶的生長。該項研究表明設(shè)計有效的三維框架結(jié)構(gòu)的負(fù)極不僅可以承受鋰沉積過程中的大體積膨脹，而且可以調(diào)控鋰沉積行為。
Quan Li, Tianjing Liang, Hong Li, Howard Wang et al, In-situ visualization of lithium plating in all-solid-state lithium-metal battery, Nano Energy, 2019
DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.103895
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519306020?dgcid=rss_sd_all#!
20190711 Nature Catal.：固體氧化物燃料電池的進(jìn)展和前景
由于固體氧化物燃料電池（SOFC）其高溫和脆性陶瓷組件，似乎不太適合運輸應(yīng)用的電源。 然而，近年來，材料和電池設(shè)計的進(jìn)步已經(jīng)開始緩解這些問題。近日，帝國理工學(xué)院Paul Boldrin研究團(tuán)隊回顧了這些進(jìn)展，討論需要改進(jìn)的領(lǐng)域以實現(xiàn)全面的商業(yè)突破以及催化劑如何協(xié)助這些領(lǐng)域。 研究人員將使用壽命、退化、燃料靈活性，效率和功率密度確定為SOFC改進(jìn)的關(guān)鍵方面。 并認(rèn)為催化領(lǐng)域的專業(yè)知識，從表面科學(xué)和計算材料設(shè)計，到改進(jìn)催化劑和重整器設(shè)計，都有助于實現(xiàn)這一目標(biāo)。
Boldrin, P. et al. Progress and outlook for solid oxide fuel cells for transportation applications. Nature Catalysis 2019.
DOI:10.1038/s41929-019-0310-y
