1. Angew: 降低鋰金屬負(fù)極極化實(shí)現(xiàn)4.5 V高壓鋰金屬電池
鋰金屬憑借其高理論比容量和最低氧化還原電勢(shì)而被認(rèn)為能夠?qū)崿F(xiàn)高理論比容量。向鋰金屬中引入準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)能夠同時(shí)克服常規(guī)液態(tài)電解質(zhì)所帶來的安全問題和所有固態(tài)電解質(zhì)所面臨的高界面電阻問題。然而，有關(guān)準(zhǔn)固態(tài)鋰金屬電池的細(xì)致研究仍然十分匱乏。
在本文中，北京理工大學(xué)的Jiaqi Huang 等通過將厚約50nm的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)Li3OCl覆蓋在鋰金屬表面有效降低了負(fù)極的極化。在常規(guī)的1M LiPF6 EC-DEC的電解液體系中存在著嚴(yán)重的溶劑分解和使用壽命短暫等問題，但準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)能夠抑制電解液溶劑在4.5V處的分解。該工作對(duì)準(zhǔn)固態(tài)界面的新認(rèn)識(shí)豐富了工作電極界面能化學(xué)的知識(shí)層次。這對(duì)于這對(duì)實(shí)現(xiàn)更好的準(zhǔn)固態(tài)界面、實(shí)現(xiàn)4.5V高壓充電電池的長壽命具有重要的參考價(jià)值。
Chong Yan, Jiaqi Huang et al, 4.5 V High-Voltage Rechargeable Batteries Enabled by the Reduction of Polarization on Lithium Metal Anode, Angew. Chem. Int. Ed., 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201908874?af=R
2. AM: 軟包電池中超薄鋰金屬負(fù)極的電化學(xué)示意圖
鋰金屬被視為新一代高比能電池中的“圣杯”。然而，人們對(duì)于鋰金屬負(fù)極在實(shí)際工作狀態(tài)下的電化學(xué)行為知之甚少，這就導(dǎo)致針對(duì)鋰金屬負(fù)極的設(shè)計(jì)策略和其實(shí)際應(yīng)用狀況出現(xiàn)了一些偏差。在本文中，清華大學(xué)的張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)利用電化學(xué)示意圖揭示了超薄鋰金屬在軟包電池中的失效機(jī)制。
他們研究了鋰金屬負(fù)極從1.0mA/cm2-1.0mAh/cm2到10.0mA/cm2-10.0mAh/cm2下的不同工作模式并將其劃分為極化區(qū)、過渡區(qū)和短路區(qū)三個(gè)區(qū)域。在小電流密度和小容量條件下導(dǎo)致電池失效的主要原因是電極的粉化和誘導(dǎo)極化；而在大電流和大容量條件下電池短路伴隨著隔膜損壞誘發(fā)安全問題則成為主因。電化學(xué)示意圖來源于鋰金屬獨(dú)特的電鍍/剝離行為，伴隨著枝晶的增厚和/或延長以及枝晶的不均勻分布。該工作所繪制的電化學(xué)示意圖對(duì)于設(shè)計(jì)具有高能量密度、高安全性和長壽命的鋰金屬電池具有指導(dǎo)意義。
Peng Shi, Qiang Zhang et al, Electrochemical Diagram of an Ultrathin Lithium Metal Anode in Pouch Cells, Advanced Materials, 2019
DOI: 10.1002/adma.201902785
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902785
3. Nature Commun.: Li-O2電池中有機(jī)碘化物還原脫乙基形成負(fù)極界面層
在鋰氧電池中，氧化還原媒介作為一種可溶性催化劑可以通過為Li2O2的形成提供足夠的固液界面接觸來降低充電過電勢(shì)。然而，氧化還原媒介的存在常常會(huì)引入一些不必要的副反應(yīng)，最典型的就是所謂的穿梭效應(yīng)既能夠?qū)е卵趸€原媒介的損失又會(huì)造成能量效率下降。
在本文中，上海硅酸鹽研究所的Tao Zhang等將三乙基碘化硫作為一種雙功能添加劑應(yīng)用在鋰氧電池中。這種有機(jī)化合物既能夠充當(dāng)氧化還原媒介又能夠用作SEI膜成膜添加劑。在充電過程中，有機(jī)碘化物與無機(jī)碘化物表現(xiàn)出類似的過氧化鋰氧化能力。同時(shí)，這種有機(jī)碘在負(fù)極表面通過還原脫乙基以及后續(xù)的氧化過程形成一層保護(hù)層。這層保護(hù)膜一方面能夠抑制金屬鋰與氧化還原媒介的反應(yīng)，另一方面能夠傳導(dǎo)離子抑制枝晶生長。
Xiaoping Zhang, Tao Zhang et al, Anode interfacial layer formation via reductive ethyl detaching of organic iodide in lithium–oxygen batteries, Nature Communications, 2019
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11544-8
4. Nano Lett.: 鋰金屬-碳納米管復(fù)合負(fù)極用于高性能鋰電池
較低的庫侖效率和有害的枝晶生長阻礙了高能量密度電池中鋰負(fù)極的應(yīng)用。中科大Yanbin Shen、Liwei Chen和Zhangquan Peng團(tuán)隊(duì)將鋰金屬-碳納米管（Li-CNT）復(fù)合材料作為鋰電極的替代品，以解決與Li-O2電池中的鋰陽極相關(guān)的關(guān)鍵問題。
其中鋰金屬浸漬在多孔碳納米管微球基質(zhì)（CNTm），并用十八烷基膦酸單層的自組裝實(shí)現(xiàn)表面鈍化，作為定制設(shè)計(jì)的SEI。Li-CNT復(fù)合材料的高比表面積降低了局部電流密度，因此抑制了循環(huán)時(shí)鋰枝晶的形成。此外，量身定制的SEI有效地從電解液中分離出Li-CNT復(fù)合材料，并防止電解液進(jìn)一步分解。當(dāng)Li-CNT復(fù)合負(fù)極與另一個(gè)基于CNTm的O2正極耦合時(shí)，所得Li-O2電池的可逆性和循環(huán)壽命得到顯著提高。
Feng Guo, Tuo Kang, Zhenjie Liu, Bo Tong, Limin Guo, Yalong Wang, Chenghao Liu, Xi Chen, Yanfei Zhao, Yanbin Shen, Wei Lu, Liwei Chen, Zhangquan Peng, An Advanced Lithium Metal-Carbon Nanotube Composite Anode for High-Performance Lithium-Oxygen Batteries, Nano Letters, 2019.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02560
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b02560
5. Joule：“聚離子液體-in-salt”電解質(zhì)中共配位輔助的鋰離子傳導(dǎo)助力安全鋰金屬電池
聚合物電解質(zhì)由于不使用具有可燃揮發(fā)性的溶劑以及具有合適的機(jī)械性能因而被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高安全、高能量密度全固態(tài)鋰金屬電池的關(guān)鍵。在本文中，澳大利亞迪肯大學(xué)的Maria Forsyth等通過使用聚（二烯丙基二甲基銨）雙（氟磺酰）酰亞胺（PDADMA FSI）和高含量的LiFSI開發(fā)出了一種不含溶劑的聚合物電解質(zhì)。
當(dāng)PDADMA FSI:LiFSI的摩爾比為1:1.5時(shí)能夠形成一種鋰離子遷移數(shù)高達(dá)0.56的均相混合物固態(tài)電解質(zhì)，而當(dāng)摩爾比再升高時(shí)則會(huì)出現(xiàn)晶相。分子動(dòng)力學(xué)模擬證明FSI陰離子與Li+和聚合物骨架之間存在著共配位現(xiàn)象，這種共配位行為在摩爾比為1:1.5時(shí)達(dá)到最大因而有利于鋰離子的傳輸。即便在高溫下這種電解質(zhì)也能夠支持鋰金屬對(duì)稱電池和鋰金屬全電池（Li/LiFePO4和Li/NCM111）在面容量高達(dá)1.1mAh/cm2的條件下穩(wěn)定循環(huán)。
Xiaoen Wang, Maria Forsyth et al, Poly(Ionic Liquid)s-in-Salt Electrolytes with Co-coordination-Assisted Lithium-Ion Transport for Safe Batteries, Joule, 2019
DOI: 10.1016/j.joule.2019.07.008
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30352-6?rss=yes
6. AM: 竹節(jié)狀氮摻雜碳納米管陣列作為自供電柔性Li-CO2電池的無金屬催化劑
Li-CO2電池具有放電平臺(tái)長、能量密度高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的可穿戴電子產(chǎn)品儲(chǔ)能裝置。然而，由于缺乏柔韌耐用的催化劑電極，其循環(huán)性和機(jī)械剛度較差，嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用。
阿貢實(shí)驗(yàn)室陸俊、中國工程物理研究院Jianli Cheng、Bin Wang團(tuán)隊(duì)利用竹狀N摻雜碳納米管纖維（B-NCNT）作為柔性、耐用的無金屬催化劑，制備了具有超長循環(huán)壽命、高倍率和大比容量的柔性纖維狀Li-CO2電池，用于CO2還原和演化反應(yīng)。由于具有豐富的吡啶基、豐富的缺陷和周期性竹節(jié)活性部位的高氮摻雜，所制備的Li-CO2電池顯示出出色的電化學(xué)性能，具有23328 mAh g?1的高全放電容量，高倍率的低功耗能力。在電流密度為1000 mA g?1時(shí)，低電位間隙高達(dá)1.96 V，360次循環(huán)的穩(wěn)定性和良好的柔韌性。同時(shí)，雙功能B-BCNT被用作纖維型染料敏化太陽能電池的對(duì)電極，以制造一種自供電的纖維型Li-CO2電池，其光化學(xué)-電能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)4.6%。該設(shè)計(jì)以呼吸監(jiān)測(cè)儀為例，具有穩(wěn)定的電壓輸出，在可穿戴電子產(chǎn)品中具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和應(yīng)用潛力。
Li, X. et al. Bamboo-Like Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Forests as Durable Metal-Free Catalysts for Self-Powered Flexible Li–CO2 Batteries. Adv. Mater. 0, 1903852,
DOI: 10.1002/adma.201903852
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201903852
7. AEM: 超薄雙層石墨烯-SiO2界面層助力穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極
鋰金屬負(fù)極被視為能夠驅(qū)動(dòng)高能量密度的儲(chǔ)能需求。然而，由于不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面和不受控的枝晶生長，如果直接使用金屬鋰則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題、較差的倍率性能和較短的循環(huán)壽命。為了解決這些問題，中國工程物理研究院的Wenhua Zhang 和美國南卡達(dá)科他州立大學(xué)的Yue Zhou和Qiquan Qiao 等首次在金屬鋰片上射頻濺射超薄雙層石墨烯-SiO2保護(hù)層來解決這些問題。
這種有效的保護(hù)層能夠獲得穩(wěn)定的極化曲線和長期鋰沉積-剝離穩(wěn)定性。石墨烯-SiO2保護(hù)層修飾后的鋰金屬在于NCM111和LTO等匹配組裝成全電池時(shí)相比裸露的鋰金屬能夠獲得更高的長期循環(huán)穩(wěn)定性、更好地倍率保持率和更低的電壓極化。保護(hù)層中的石墨烯能夠作為電子橋梁聯(lián)結(jié)沉積鋰與鋰電極從而降低阻抗并緩沖沉積造成的體積膨脹。添加SiO2能夠促進(jìn)鋰離子傳導(dǎo)及其鋰化-去鋰化，為SEI膜提供了更高的電解液親和力、更高的化學(xué)穩(wěn)定性和更大的楊氏模量來抑制鋰枝晶生長。
Rajesh Pathak, Wenhua Zhang, Yue Zhou, Qiquan Qiao et al, Ultrathin Bilayer of Graphite/SiO2 as Solid Interface for Reviving Li Metal Anode, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201901486
8. Angew: 具有催化活性的共軛配位聚合物用于鈉離子電池
π-d共軛配位聚合物（CCP）與π-π共軛有機(jī)/聚合物材料非常相似（柔韌性、低成本、通過分子設(shè)計(jì)功能化、循環(huán)過程中體積變化小），且π-d系統(tǒng)中的電子離域（共軛配體的前沿π軌道與過渡金屬d軌道的雜化）能夠改善材料的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，近年來引起了廣泛的關(guān)注。但大多數(shù)CCP確切的化學(xué)狀態(tài)或結(jié)構(gòu)（例如金屬離子的化合價(jià)，單/雙鍵特征，是否存在反離子和激進(jìn)等）仍然模糊。而電化學(xué)氧化還原過程中的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變化能夠提供揭示化學(xué)結(jié)構(gòu)的有效方法，因此，系統(tǒng)地研究CCPs的化學(xué)狀態(tài)及其在電池中的應(yīng)用和內(nèi)在機(jī)制是非常必要的。
華中科技大學(xué)Chengliang Wang課題組報(bào)道了一種用于高性能鈉離子電池的一維π-d金屬有機(jī)CCP，揭示了該配位聚合物的化學(xué)狀態(tài)。Ni（II）配合物和平面1,2,4,5-苯四胺（BTA）的平面配位方式保證了Ni-BTA鏈的共面性和π-d離域。研究者系統(tǒng)地研究了Ni-BTA的化學(xué)狀態(tài)、電化學(xué)性質(zhì)和儲(chǔ)鈉機(jī)理。
分析：通過從C = N雙鍵和Ni（II）到C-N單鍵和Ni（I）的轉(zhuǎn)換，Ni-BTA電化學(xué)過程為三電子反應(yīng)。更重要的是，研究者指出，他們的無意實(shí)驗(yàn)提供了Ni（I）的可視化證據(jù)。Ni（I）的存在通過XANES及其在Negishi交叉偶聯(lián)反應(yīng)中的催化活性得到進(jìn)一步證實(shí)。
鈉電性能：獲得的Ni-BTA在0.1A g-1下具有約500 mAh g-1的高比容量和優(yōu)異的倍率性能（10 A g-1下330 mAh g-1）。這些性能優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的用于SIB的共軛有機(jī)/聚合物材料。
意義：新型儲(chǔ)鈉材料的發(fā)現(xiàn)，前所未有的利用電化學(xué)過程實(shí)現(xiàn)CCP的潛在準(zhǔn)單原子催化以及精確識(shí)別CCP的化學(xué)狀態(tài)，為相關(guān)研究領(lǐng)域提供了新的見解，也加深了對(duì)共軛配位聚合物的理解。
Chengliang Wang, Yuan Chen, Mi Tang, Yanchao Wu, Xiaozhi Su, Xiang Li, Shuaifei Xu, Shuming Zhuo, Jing Ma, Daqiang Yuan, Wenping Hu, A one‐dimensional π‐d conjugated coordination polymer for sodium storage with catalytic activity in Negishi coupling, Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201908274
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908274
9. ACR: 可充鋰電池中的有機(jī)硫正極材料
在過去的幾十年里，鋰離子電池在便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。為了追求更高的電池能量密度并克服無機(jī)電極材料的儲(chǔ)能極限，開發(fā)新型可充鋰電池正極材料至關(guān)重要。近年來隨著鋰硫電池的發(fā)展，結(jié)構(gòu)中含有長硫鏈的有機(jī)硫化物（如三硫化物、四硫化物、五硫化物等）受到越來越多的關(guān)注。有機(jī)硫化合物作為一類重要的硫衍生物，其與單質(zhì)硫相比具有多種結(jié)構(gòu)和獨(dú)特性能。
本文首先概述了鋰電池中有機(jī)硫化物的工作原理，然后討論有具有精確的鋰化位點(diǎn)和可調(diào)的容量的有機(jī)硫分子。對(duì)有機(jī)硫化合物進(jìn)行有機(jī)官能團(tuán)修飾可以提供額外的好處，例如用苯基能夠提高放電電壓和能量效率，用氮雜環(huán)改善循環(huán)穩(wěn)定性。此外，由于硒具有較高的導(dǎo)電率和較低的鍵能，用硒取代硫也可以改善其電化學(xué)性能。本文還介紹了有機(jī)硫化物作為電解質(zhì)添加劑或在鋰金屬陽極上形成固體電解質(zhì)界面層的組分。并探討了了多硫化物分子和聚合物的合成方法。最后，作者介紹了有機(jī)硫化物作為鋰電池正極材料的優(yōu)越性，概括總結(jié)了有機(jī)硫化物作為下一代可充電鋰電池正極材料的最新進(jìn)展，深入分析了其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，并為今后的發(fā)展提供了指導(dǎo)。
Danyang Wang, Yongzhu Fu et al, Organosulfides: An Emerging Class of Cathode Materials for Rechargeable Lithium Batteries, Accounts of Chemical Research, 2019
DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00231
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.9b00231
10. Angew: CoO / Co-Cu-S分層管狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建
用于超級(jí)電容器電極材料的分層中空結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)大表面積、加速離子和電子的傳輸，并適應(yīng)循環(huán)期間的體積膨脹。此外，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建將增強(qiáng)內(nèi)部電場(chǎng)以調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)。
浙江師范大學(xué)胡勇和新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文團(tuán)隊(duì)通過有效的多步法制備由納米針組成的CoO / Co-Cu-S分層管狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)（HTHS）。
合成：首先電紡聚丙烯腈（PAN）-Co(Ac)2/Cu(NO3)2復(fù)合NF用作自模板，然后通過金屬離子和2,5-二羥基對(duì)苯二甲酸（H4DOBDC）之間的配位形成PAN@MOF-74 核殼NF。隨后，移除PAN核以產(chǎn)生HTHS時(shí)，MOF-74通過空氣中退火轉(zhuǎn)變成Co/Cu混合氧化物（表示為Co-Cu-O）。進(jìn)一步通過在N2氣氛中與S粉末退火，對(duì)Co-Cu-O HTHS硫化，得到CoO / Co-Cu-S-X，后綴X表示添加Co2+和Cu2+的摩爾比。
性能：2.0 A g-1下表現(xiàn)出320 mAh g-1（2300 F g-1）的高比容量和出色的循環(huán)穩(wěn)定性，在10 A g-1 5000次循環(huán)后容量保持率為96.2％。此外，由CoO / Co-Cu-S和活性炭構(gòu)成的全固態(tài)混合超級(jí)電容器（HSC）在功率密度為800 W kg-1時(shí)顯示出穩(wěn)定且高的能量密度90.7 Wh kg-1。
Wen Lu, Junling Shen, Peng Zhang, Yijun Zhong, Yong Hu,* and Xiong Wen (David) Lou, Construction of CoO/Co-Cu-S Hierarchical Tubular Heterostructures for Hybrid Supercapacitors, Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201907516
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201907516
11. Joule: 自組裝三導(dǎo)電納米復(fù)合材料作為優(yōu)良的質(zhì)子陶瓷燃料電池陰極
南京工業(yè)大學(xué)邵宗平團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種氧離子質(zhì)子導(dǎo)電納米復(fù)合材料BaCo0.7(Ce0.8Y0.2)0.3O3-δ(BCCY)，它來源于自組裝工藝，是一種高性能質(zhì)子陶瓷燃料電池（PCFC）或混合O2-/H+雙離子導(dǎo)電燃料電池（雙離子燃料電池）陰極。高溫煅燒過程中的自組裝導(dǎo)致形成一種納米復(fù)合物，該復(fù)合物由混合的H+/e-導(dǎo)電BaCexYyCozO3-δ（P-BCCY）相和混合的O2-/e-導(dǎo)電BaCoxCeyYzO3-δ（M-BCCY）和BaCoO3-δ（BC）相組成。
這些相之間的相互作用促進(jìn)了復(fù)合陰極的氧還原反應(yīng)（ORR）動(dòng)力學(xué)，并通過回火熱失配來改善其熱機(jī)械相容性和膨脹系數(shù)（TEC）。當(dāng)作為陰極在陽極支撐的二元體FCs和PCFCs中測(cè)試時(shí)，在650℃下實(shí)現(xiàn)峰值功率密度（PPDs）分別為985和464 mW cm-2，同時(shí)在550℃下保持812小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行。這種材料非常適合用于PCFCs和雙離子FCs的高性能陰極，大大加速了這種技術(shù)的商業(yè)化。
Song, Y. et al. Self-Assembled Triple-Conducting Nanocomposite as a Superior Protonic Ceramic Fuel Cell Cathode. Joule,
DOI: 10.1016/j.joule.2019.07.004
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119303204
12. Nature Commun.: 碳納米管量子電容與電化學(xué)電容的測(cè)量
在液體電解質(zhì)中，納米管和溶劑化離子之間的電子界面的性質(zhì)由兩種截然不同的物理現(xiàn)象控制：量子和化學(xué)。量子成分產(chǎn)生于電子態(tài)密度的急劇變化，化學(xué)成分則產(chǎn)生于離子屏蔽和擴(kuò)散。在本文中，加利福尼亞大學(xué)的Peter J. Bruke等使用集成的片上屏蔽技術(shù)定量測(cè)量了碳納米管的電容值。
他們發(fā)現(xiàn)在室溫下其電容值是施加的偏壓電位（從-0.7 V到0.3 V）和離子濃度（從10 mM到1M KCl的溶液）的函數(shù)。研究人員確定了量子電容和電化學(xué)電容的相對(duì)貢獻(xiàn)，并用理論模型對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。該項(xiàng)研究成果代表了在與液體電解質(zhì)接觸的縮小尺寸系統(tǒng)中對(duì)電容的量子效應(yīng)的測(cè)量的重要性，這是納米技術(shù)、能量和生命之間的界面中一個(gè)重要且新興的主題。
Jinfei Li, Peter J. Bruke et al, Measurement of the combined quantum and electrochemical capacitance of a carbon nanotube, Nature Communications, 2019
