20190722 Joule：可充水溶液雜化Zn2+/Al3+電致變色電池
電致變色電池是一種新型的能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換電池。由于電致變色材料常常受到容量和可移動(dòng)離子的限制，因此高性能電致變色電池的發(fā)展受到了嚴(yán)重阻礙。在本文中，加拿大阿爾伯塔大學(xué)的Abdulhakem Y. Elezzabi等使用具有Zn2+和Al3+的電解液構(gòu)筑了一種水溶液雜化Zn2+/Al3+電致變色電池。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了電池優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括快速自著色時(shí)間（0.5 s）和切換時(shí)間（3.9和5.1 s用于著色和漂白過程）、高光學(xué)對(duì)比度（88%）以及高面積容量（185.6 mAh/m2，0.5 mA/cm2）。因此，這種有史以來所報(bào)道過的最優(yōu)異的電化學(xué)性能使得該電解液成為發(fā)展電致變色儲(chǔ)能器件的不二之選。此外，由于水溶液電解液固有的安全性優(yōu)勢(shì)，這種雜化Zn2+/Al3+電解液體系必將不斷促進(jìn)實(shí)用性電致變色器件的發(fā)展。
Haizeng Li, Abdulhakem Y. Elezzabi, Rechargeable Aqueous Hybrid Zn2+/Al3+ Electrochromic Batteries, Joule, 2019
DOI: 10.1016/j.joule.2019.06.021
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30312-5?rss=yes#
20190719 Nature Commun.：自發(fā)反應(yīng)保護(hù)多孔鋰電極用于鋰硫電池
可充電鋰負(fù)極需要多孔結(jié)構(gòu)以獲得高容量，當(dāng)用于Li-S電池時(shí)，需要穩(wěn)定的電極/電解質(zhì)界面以防止枝晶形成和多硫化物穿梭。
香港科技大學(xué)趙天壽和Q. Chen團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩個(gè)簡(jiǎn)單的自發(fā)反應(yīng)步驟來保護(hù)多孔鋰電極。首先，將熔融Li注入到硫浸漬的碳納米纖維中，形成具有鋰殼和碳核的多孔纖維網(wǎng)絡(luò)Li復(fù)合材料。然后，多孔Li復(fù)合物與金屬氟化物絡(luò)合物（BiF3-P2S5）反應(yīng)，以自發(fā)形成緊密錨定在Li表面上的Li3Bi合金和LiF。P2S5還與多孔電極上殘留的Li2S聚合，形成離子導(dǎo)電的無定形Li2S-P2S5固體電解質(zhì)層。自發(fā)實(shí)現(xiàn)的多尺度保護(hù)能夠使Li-S全電池在6.0 mA cm-2時(shí)相當(dāng)高的硫負(fù)荷（10.2 mg cm-2）下穩(wěn)定運(yùn)行200多個(gè)循環(huán)。
Y. X. Ren, L. Zeng, H. R. Jiang, W. Q. Ruan, Q. Chen, T. S. Zhao, Rational design of spontaneous reactions for protecting porous lithium electrodes in lithium–sulfur batteries, Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-11168-y
20190719 Nature Commun.：可逆插入甲基紫精作為水性電池中的雙陽離子電荷載體
電荷載體和電極結(jié)構(gòu)之間的相互作用是尋找新的能量存儲(chǔ)裝置中最重要的因素之一，目前，離子鍵合方式主導(dǎo)著電池化學(xué)。
吉林大學(xué)杜菲、俄勒岡州立大學(xué)紀(jì)秀磊、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室陸俊和加州大學(xué)P. Alex Greaney團(tuán)隊(duì)報(bào)道了在高度結(jié)晶的3,4,9,10-苝四羧酸二酐（PTCDA）電極內(nèi)的大分子-甲基紫精-可逆的拓?fù)淝度?脫嵌化學(xué)。這是有史以來針對(duì)電池報(bào)道的非溶劑化時(shí)最大的插入電荷載體，令人驚訝的是，甲基紫精的（脫）插入動(dòng)力學(xué)性質(zhì)是非常優(yōu)異的，當(dāng)電流密率從100mA g-1增加到2000 mA g-1時(shí)仍能保留60％的容量。相關(guān)表征表明甲基紫精的插入引起了有機(jī)宿主的相變，并且體現(xiàn)了客體-主體的化學(xué)鍵合。DFT計(jì)算表明，在純離子鍵合之外存在強(qiáng)客體-主體相互作用，其中可能存在很大程度的共價(jià)。該研究將電池化學(xué)的邊界擴(kuò)展為大分子離子作為電荷載體，并突出了超分子系統(tǒng)的電化學(xué)組裝。
Zhixuan Wei, Woochul Shin, Heng Jiang, Xianyong Wu, William F. Stickle, Gang Chen, Jun Lu, P. Alex Greaney, Fei Du, Xiulei Ji, Reversible intercalation of methyl viologen as a dicationic charge carrier in aqueous batteries, Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-11218-5
20190722 Nature Commun.：基于MoS2鋰離子電池的超薄SEI演變和起皺過程
基于MoS2的LIB中電極/電解質(zhì)界面存在的問題需要建立結(jié)構(gòu)-反應(yīng)相關(guān)性的解決方案：1）原位和定量研究SEI膜的初始成核和隨后生長(zhǎng)以及表面效應(yīng)成膜電解質(zhì)添加劑對(duì)電化學(xué)性能的影響；2）MoS2負(fù)極在充電/放電時(shí)鋰化/脫鋰的納米級(jí)結(jié)構(gòu)演變和反應(yīng)機(jī)理。
中科院化學(xué)所Rui Wen和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)Jian Zheng團(tuán)隊(duì)通過原位電化學(xué)原子力顯微鏡（EC-AFM）對(duì)存在和不存在氟代碳酸亞乙酯（FEC）添加劑的超平單層MoS2負(fù)極的界面過程進(jìn)行了深入監(jiān)測(cè)，其能夠近似模擬真實(shí)電池并進(jìn)一步準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)界面特性，以便深入理解上面提到的基本機(jī)制。
為了捕獲SEI形成和鋰化/脫鋰的初始成核過程，研究者采用通過CVD方法制備了大面積超平單層MoS2。通過對(duì)FEC衍生的SEI的整個(gè)成核和生長(zhǎng)（初始厚度約為0.7±0.1nm，隨后增加到1.5±0.7nm）的原位和定量分析，揭示了FEC添加劑可以誘導(dǎo)超薄和致密薄膜的形成，從而有效地保護(hù)陽極電極免受副反應(yīng)和體積膨脹。此外，在鋰化/脫鋰時(shí)褶皺的出現(xiàn)/保留證明了MoS2固有的柔韌性和基于MoS2的LIB的失效機(jī)理。這些結(jié)果不僅理解了由成膜添加劑衍生的超薄SEI的定量形成，而且還直接了解了MoS2/電解質(zhì)界面在充電/放電過程中的結(jié)構(gòu)演變和反應(yīng)機(jī)理。
Jing Wan, Yang Hao, Yang Shi, Yue-Xian Song, Hui-Juan Yan, Jian Zheng, Rui Wen, Li-Jun Wan, Ultra-thin solid electrolyte interphase evolution and wrinkling processes in molybdenum disulfide-based lithium-ion batteries, Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-11197-7
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11197-7
20190724 Nature Commun.：基于離子液體電解質(zhì)的安全且不易燃的鈉金屬電池
具有高能量密度的可充電鈉金屬電池的實(shí)現(xiàn)具有重要意義，但追求更高的能量密度也應(yīng)具有高的安全性，而有機(jī)溶劑電解質(zhì)很難達(dá)到該要求。
斯坦福大學(xué)戴宏杰團(tuán)隊(duì)提出了一種基于NaCl緩沖AlCl3/1-甲基-3-乙基咪唑氯化物的離子液體電解質(zhì)，用于安全和高能Na電池。兩種1至4 wt.％的電解質(zhì)添加劑，乙基二氯化鋁（EtAlCl2）和1-乙基-3-甲基咪唑雙（氟磺酰基）酰亞胺（[EMIm] FSI）是穩(wěn)定鈉負(fù)極上的SEI實(shí)現(xiàn)可逆鈉電鍍/剝離的關(guān)鍵。這是用于可充電鈉金屬電池的第一種基于氯鋁酸鹽的離子液體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)界面（SEI）分析顯示SEI成分包括NaCl，Al2O3和NaF，其衍生自Na與IL電解質(zhì)中陰離子之間的反應(yīng)。
在含有該IL電解質(zhì)的Na/Pt電池中，在約為100次可逆Na電鍍/剝離循環(huán)中，在0.5 mA cm-2下達(dá)到約為95％的庫倫效率（CE）。使用優(yōu)化的IL電解質(zhì)，將Na負(fù)極與磷酸釩鈉（NVP）和磷酸釩氟化鈉（NVPF）基正極配對(duì)，可提供高達(dá)~4 V的高放電電壓，高達(dá)99.9％的CE和最大能量功率密度分別為420 Wh kg-1和1766 W kg-1。700次循環(huán)后，電池容量保持率為90％以上。
Hao Sun, Guanzhou Zhu, Xintong Xu, Meng Liao, Yuan-Yao Li, Michael Angell, Meng Gu, Yuanmin Zhu, Wei Hsuan Hung, Jiachen Li, Yun Kuang, Yongtao Meng, Meng-Chang Lin, Huisheng Peng, Hongjie Dai, A safe and non-flammable sodium metal battery based on an ionic liquid electrolyte, Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-11102-2
20190722 AM：安全有機(jī)電解質(zhì)助力長(zhǎng)壽命高可逆金屬鋅負(fù)極
多年來嚴(yán)重的枝晶生長(zhǎng)問題與復(fù)雜的界面反應(yīng)一直限制著金屬鋅負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。在本文中，上海交通大學(xué)的王久林教授團(tuán)隊(duì)通過使用一種基于磷酸三甲酯（TMP）的安全有機(jī)電解液構(gòu)建了安全高效的可逆金屬鋅負(fù)極，從而有效解決了上述問題。在循環(huán)過程中，原始的鋅箔通過TMP表面活性劑和磷酸鋅分子模板作用逐漸轉(zhuǎn)化為類似于石墨烯的沉積物。這種新型的金屬Zn負(fù)極形貌使得其能夠在長(zhǎng)達(dá)5000h的沉積-剝離循環(huán)中保持界面性質(zhì)的穩(wěn)定，而且可承受的最大倍率高達(dá)5mA/cm2，能夠保持99.57%的平均庫倫效率而不發(fā)生枝晶生長(zhǎng)。他們還將這種金屬Zn負(fù)極與VS2正極匹配構(gòu)筑了壽命超長(zhǎng)的全電池。該研究成果為金屬Zn負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用指明了方向。
Ahmad Naveed, Jiulin Wang et al, A Highly Reversible Zn Anode with Intrinsically Safe Organic Electrolyte for Long‐Cycle‐Life Batteries, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900668
20190719 Nano Lett.：使用原子級(jí)分辨率冷凍電鏡觀察碳化物負(fù)極固態(tài)電解質(zhì)界面的演化
鋰離子電池的穩(wěn)定性嚴(yán)重依賴于固態(tài)電解質(zhì)界面的性質(zhì)（SEI膜，電解質(zhì)在碳化物負(fù)極表面發(fā)生電化學(xué)還原形成的鈍化層）。然而，由于這種敏感界面化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)難以表征清楚，因此人們對(duì)于SEI膜如何在微觀上參與電池老化過程的理解仍然十分有限。在本文中，斯坦福大學(xué)的Yi Cui和William C. Chueh等利用低溫冷凍電鏡對(duì)炭黑負(fù)極表面的SEI膜進(jìn)行了成像并追蹤了其演化過程。他們發(fā)現(xiàn)在首周循環(huán)過程中SEI會(huì)形成薄而無定形的晶核，在后續(xù)的循環(huán)過程中會(huì)進(jìn)一步形成幾種不同的形貌：（1）一種是致密的SEI層，具有高濃度的無機(jī)組分能夠有效對(duì)碳化物負(fù)極進(jìn)行鈍化；（2）厚達(dá)幾百納米的拓展SEI層，這種擴(kuò)展的SEI生長(zhǎng)在缺乏緊密SEI的顆粒上，主要由烷基碳酸鹽組成。SEI膜的多樣形貌表明SEI的生長(zhǎng)過程十分不均勻。由于大規(guī)模擴(kuò)展的SEI會(huì)對(duì)鋰離子傳輸產(chǎn)生負(fù)面影響導(dǎo)致容量損失并可能加速電池故障，這些不同SEI形態(tài)的同時(shí)出現(xiàn)突顯了SEI有效鈍化的必要性。
William Huang, William C. Chueh, Yi Cui et al, Evolution of the Solid–Electrolyte Interphase on Carbonaceous Anodes Visualized by Atomic-Resolution Cryogenic Electron Microscopy, Nano Letters, 2019
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b01515
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01515
20190723 Angew綜述：鋰電池混合鋰鹽電解質(zhì)配方的關(guān)鍵科學(xué)問題
通常在鋰電池中人們考慮到各種鋰鹽的協(xié)同效應(yīng)通常會(huì)使用各種電解質(zhì)鋰鹽的混合物。近年來，在各種新型鋰電池體系中混合鋰鹽電解質(zhì)取得了巨大的研究進(jìn)展。然而，混合鋰鹽電解質(zhì)常常被忽略，因此需要對(duì)其發(fā)展歷史進(jìn)行全面深刻地概括總結(jié)。在本文中，中科院青島能源所的崔光磊研究員對(duì)混合鋰鹽電解質(zhì)的發(fā)展進(jìn)行了概括總結(jié)。作者將鋰電池中混合鋰鹽電解質(zhì)的發(fā)展目標(biāo)概括為提升電池安全性、抑制電解液對(duì)正極集流體Al箔的腐蝕、拓寬溫度窗口、在兩極形成有利的界面層、保護(hù)鋰金屬負(fù)極、提升離子電導(dǎo)率等。更重要的是，作者在文中闡明了混合鋰鹽電解質(zhì)在鋰電池中發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題。
Gaojie Xu, Guanglei Cui et al, Key Scientific Issues in Formulating Blended Lithium Salts Electrolyte for Lithium Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201906494?af=R
20190724 Angew綜述：氟鋰一生一起走，電池衰減不再有！
可充鋰電池能量密度的進(jìn)一步提升需要尋找能夠在不犧牲電池整體性能和安全性的前提下與先進(jìn)電極材料兼容的合適電解液，尤其是在高電壓條件下。在傳統(tǒng)的有機(jī)電解液電池體系中，人們通過向鋰鹽、溶劑以及功能添加劑中引入氟化物而取得了電池性能的突破。來自不同電解液組分的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)使得針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景的電池體系、電解液體系的發(fā)展成為可能。在本綜述中，來自德國(guó)不萊梅雅各布大學(xué)的M. Winter和慕尼黑大學(xué)的I. Cekic-Laskovic等強(qiáng)調(diào)了非水性溶劑型電解質(zhì)及其組分中含氟材料的關(guān)鍵研究進(jìn)展與技術(shù)變革，以及面臨的相關(guān)科學(xué)挑戰(zhàn)和發(fā)展局限性。文章未將含氟離子液體類電解質(zhì)考慮在內(nèi)。
N. von Aspern, M. Winter, I. Cekic-Laskovic et al, Fluorine and Lithium: Ideal Partners for High-Performance Rechargeable Battery Electrolytes, Angew. Chem Int. Ed., 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201901381
20190725 AM：多功能碳納米管框架誘導(dǎo)無枝晶鋅沉積助力穩(wěn)定柔性鋅離子電池
安全和可再生儲(chǔ)能器件的發(fā)展驅(qū)動(dòng)了近期鋅離子電池的繁榮。然而，金屬鋅負(fù)極表面嚴(yán)重的枝晶生長(zhǎng)限制了其實(shí)際應(yīng)用。在本文中，中山大學(xué)的Xiaoqiang Liu與Xihong Lu等首次將柔性三維碳納米管框架作為金屬鋅沉積-剝離的骨架從而實(shí)現(xiàn)了無枝晶穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極。與普通的沉積鋅電極相比，這種Zn/CNT負(fù)極能夠?qū)崿F(xiàn)更低的沉積過電勢(shì)和均勻的沉積過電勢(shì)，因此能夠支持高度可逆的Zn沉積與剝離而不會(huì)形成枝晶和其他副產(chǎn)物。基于Zn/CNT負(fù)極的高柔性對(duì)稱電池電壓極化低至27mV，且在2mA/cm2的電流密度下能夠保持超過200h的無枝晶形貌。這種優(yōu)異的電化學(xué)性能超過了目前文獻(xiàn)中報(bào)道有關(guān)金屬鋅負(fù)極的最優(yōu)值。此外，使用Zn/CNT負(fù)極的Zn//MnO2全電池在超過1000周的循環(huán)過后仍然能夠保持88.7%的容量保持率。
Yinxiang Zeng, Xiaoqing Liu, Xihong Lu et al, Dendrite‐Free Zinc Deposition Induced by Multifunctional CNT Frameworks for Stable Flexible Zn‐Ion Batteries, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201903675
20190725 Joule：鉻螯合物電解質(zhì)助力高壓水溶液液流電池
由于缺乏低成本長(zhǎng)壽命的能量?jī)?chǔ)存手段，因此可再生能源的廣泛使用受到了嚴(yán)重限制。從儲(chǔ)能的角度來說，液流電池由于其能量部分與功率部分能夠有效分離開因而被視為是一種富有吸引力的儲(chǔ)能選擇。然而，到目前為止商品化的液流電池體系均受到電池成本及性能的限制而無法實(shí)現(xiàn)其理論上的低成本潛能。在本文中，美國(guó)科羅拉多大學(xué)波德分校的Michae P. Marshak等用一種由地球豐富的鉻和一種廉價(jià)的螯合劑組成的負(fù)極電解質(zhì)來解決這些挑戰(zhàn)，這種螯合劑比鋅具有更大的還原潛力同時(shí)抑制氫的生成。他們使用這種電解質(zhì)開發(fā)出了兩種新型的液流電池體系，這兩種體系均能夠在室溫和接近中性條件下穩(wěn)定地保持高效率和高功率密度。該項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)絡(luò)合金屬配合物具有抑制水配位的能力，并且為抑制高電位下水的分解反應(yīng)建立了通用的策略。
Brian H. Robb, Michae P. Marshak et al, Chelated Chromium Electrolyte Enabling High-Voltage Aqueous Flow Batteries, Joule, 2019
DOI: 10.1016/j.joule.2019.07.002
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30318-6?rss=yes#
