1. Nano Energy: 碳載Co/Mn雙金屬氧化物復合催化劑,用于鋅空氣電池
錳具有豐富的化學價態(tài)和優(yōu)異的的氧還原、氧析出活性，有望代替貴金屬用于鋅空氣電池陰極催化劑，但如何進一步提高其氧催化性能仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，東華大學喬錦麗教授，河南師范大學張巖星副教授，山西大學范修軍教授，中科院上海硅酸鹽研究所張濤研究員以及美國路易斯安那大學拉法葉分校周曉東教授等團隊合作，通過構建碳載Co/Mn雙金屬氧化物復合催化劑，利用Co原子摻雜調控Mn原子的電子結構，有效激活了Mn1/Mn2的本征氧催化活性。
研究發(fā)現(xiàn)，Co3O4具有獨特的多孔結構，均勻分布在MnO2表面，不僅成功激活了Mn原子的雙功能活性，而且Co3O4與CNTs載體可以形成獨特的電子傳輸網(wǎng)絡，大大提高了陰極催化劑的ORR與OER性能。利用該復合催化劑組裝鋅空氣電池可以大幅度提高電池的能量密度、功率密度以及充放電循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)測試分別可達534Mw/cm2、1439 Mw/cm2和810cycles，有利于推動鋅空氣電池的商業(yè)化開發(fā)和應用，同時為Mn基催化劑催化活性的提升提供了一種新的方法。
Nengneng Xu, Yanxing Zhang, Min Wang, Xiujun Fan, Tao Zhang, Luwei Peng, Xiao-Dong Zhou, Jinli Qiao. High-performing rechargeable/flexible zinc-air batteries by coordinated hierarchical Bi-metallic electrocatalyst and heterostructure anion exchange membrane. Nano Energy, 2019, 65, 104021.
DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104021
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519307281
2. JACS: TiNb2O7中的離子和電子傳導
TiNb2O7是Wadsley-Roth相，具有晶體剪切結構，是高功率鋰離子儲能有希望的候選者。然而，鋰插入機制和TiNb2O7中的傳導仍不清楚。劍橋大學Clare P. Grey團隊結合實驗和計算以理解塊狀TiNb2O7的固有性質。研究結果表明，鋰化時電子電導率增加了七個數(shù)量級，表明電子具有局部和離域特征，最大居里常數(shù)和Li NMR順磁性位移接近Li0.60TiNb2O7。研究者計算了方形平面或扭曲的五配位鋰位點以在熱力學最小值或過渡態(tài)之間進行反轉，NMR研究發(fā)現(xiàn)單氧化還原區(qū)域中的鋰擴散（即LixTiNb2O7中x≤3）很快速，其具有低的活化勢壘，并且在觀察到T1最小值的溫度525-650K下，對于x ≥0.75時，DLi = 10-11m2·s-1。
DFT計算預測離子擴散像電子傳導一樣，是各向異性的，在隧道內具有100-200 meV的鋰傳輸激活屏障。鋰遷移率在多氧化還原區(qū)域受阻（LixTiNb2O7中x> 3），這與從間質介導的轉變?yōu)榭瘴唤閷У臄U散有關。總的來說，鋰插入導致TiNb2O7的有效n型自摻雜和高速傳導，而在高鋰化時離子運動最終受阻。在TiNb2O7中使用Na+，K+，Mg2+進行脫嵌，其過渡態(tài)為1-3 eV的高擴散勢壘，表明該結構特別適合于Li+遷移。
Kent J. Griffith, Ieuan D. Seymour, Michael A. Hope, Megan M. Butala, Leo K. Lamontagne, Molleigh B Preefer, Can P. Ko?er, Graeme Henkelman, Andrew J. Morris, Matthew J Cliffe, Sian E. Dutton, Clare P. Grey, Ionic and Electronic Conduction in TiNb2O7, J. Am. Chem. Soc.2019
DOI: 10.1021/jacs.9b06669
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b06669
3. Angew綜述: 貧電解液條件下實用鋰硫電池的機遇與挑戰(zhàn)
Li-S電池由于其超高的能量密度而被認為是最有前途的下一代能量存儲裝置之一。盡管在過去幾年取得了非凡的進步，但Li-S電池的實際能量密度仍然遠遠不能滿足實際應用的需求。考慮到硫電化學高度依賴于固-液-固多相轉化，電解液的量對Li-S電池的實際性能起主要作用。因此，具有低電解液/硫比的貧電解液體積對于實際的Li-S電池在能量密度方面的優(yōu)勢是必要的，然而在這些條件下對于獲得關于硫動力學、放電容量、庫侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性的可接受的電化學性能而言是非常具有挑戰(zhàn)性的，特別是對于高硫負載正極。
北京理工大學黃佳琦團隊的這篇綜述中，首先解決了電解液/硫比對Li-S電池實際能量密度和經(jīng)濟成本的影響。根據(jù)關于溶解-沉淀轉化和固-固多相轉變的硫電化學過程，作者分析了包括貧電解液Li-S電池的挑戰(zhàn)和最新進展，最后討論了未來貧電解質Li-S電池設計的前景。
Meng Zhao, Bo-Quan Li, Hong-Jie Peng, Hong Yuan, Jun-Yu Wei, Jia-Qi Huang, Challenges and Opportunities towards Practical Lithium–Sulfur Batteries under Lean Electrolyte Conditions, Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201909339
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201909339
4. Angew: 電解質化學可以同時穩(wěn)定K離子電池中的K金屬和合金負極
合金負極是用于鉀離子電池（KIB）有前途的高容量電極材料。然而，由于K金屬的不穩(wěn)定性和合金負極大的體積膨脹，基于合金負極的KIB普遍遭受快速的容量衰減。北京航空航天大學Lin Guo團隊研究了鹽和溶劑對基于典型的合金化負極，如無定形紅磷（RP）的KIB循環(huán)穩(wěn)定性的影響，并且該雙（氟磺酰基）酰亞胺鉀（KFSI）鹽-基于碳酸鹽的電解質能夠實現(xiàn)K金屬和RP電極的同時穩(wěn)定，以獲得高度穩(wěn)定的KIB。
這種具有適度溶劑化能的鹽-溶劑復合物可以緩解K金屬和電解質之間的副反應并促進K+擴散/去溶劑化。此外，在K金屬和RP電極上形成的穩(wěn)健SEI層可以抑制K枝晶生長并抵抗RP體積變化。這種電解質調節(jié)策略可適用于高性能KIB的其他合金負極。
Lin Guo, Hua Wang, Dandan Yu, Xiao Wang, Zhiqiang Niu, Mengxue Chen, Liwei Cheng, Wei Zhou, Electrolyte Chemistry Enables Simultaneous Stabilization of Potassium Metal and Alloying Anode for K‐Ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201908607
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908607
5. Angew: 抑制VOPO4·xH2O在水系鋅電池中的分解和溶解，以提高電壓和穩(wěn)定性
目前已提出VOPO4·xH2O作為可充電水系鋅電池的正極。然而，根據(jù)東北大學孫筱琪課題組的實驗研究，發(fā)現(xiàn)它在常規(guī)Zn(OTf)2電解質中發(fā)生顯著的電壓衰減。該課題組進一步系統(tǒng)的研究表明VOPO4·xH2O在電解質中分解成VOx，在失去聚陰離子的誘導效應后電壓開始下降。
因此，加入PO43-以改變分解平衡。電解質中高濃度的廉價且高度可溶的ZnCl2鹽進一步防止活性物質溶解。正極在13m ZnCl2 /0.8m H3PO4含水電解質中顯示出穩(wěn)定的容量和電壓保持率，與Zn(OTf)2中的正極直接形成鮮明對比，其中分解產(chǎn)物VOx在循環(huán)中提供最大的電化學活性。H+和Zn2+按順序嵌入結構中，提供170 mAh/g的高容量。
Hua-Yu Shi, Yu Song, Zengming Qin, Cuicui Li, Di Guo, Xiao-Xia Liu, Xiaoqi Sun, Inhibiting VOPO?·xH?O Decomposition and Dissolution in Rechargeable Aqueous Zinc Batteries to Promote Voltage and Capacity Stabilities, Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201908853
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908853
6. Angew: H2O介導的超離子鹵化物固態(tài)電解質的合成
為了促進固態(tài)電池的發(fā)展，已經(jīng)廣泛研究了聚合物，氧化物和硫化物基固態(tài)電解質（SSE）。然而，這些SSE各自的缺點阻礙了它們的實際應用，例如氧化物需要高溫燒結，硫化物的空氣不穩(wěn)定性和聚合物電解質的窄電化學窗口。因此，非常需要開發(fā)具有高離子電導率（> 10-3 S cm-1）、良好的空氣穩(wěn)定性、寬的電化學窗口、優(yōu)異的電極界面穩(wěn)定性、低成本大規(guī)模生產(chǎn)的SSE。
加拿大略大學校孫學良團隊報道了鹵化物Li+超離子導體，Li3InCl6，其可以在水中合成。最重要的是，合成后的Li3InCl6在25℃下顯示出2.04×10-3 S cm-1的高離子電導率。此外，該物質溶解在水中后可以完全回收。結合LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正極組裝的固態(tài)鋰電池顯示出驚人的循環(huán)穩(wěn)定性。H2O介導的Li3InCl6合成可以顯著地促進全固態(tài)鋰電池的進步。
Xiaona Li, Jianwen Liang, Ning Chen, Jing Luo, Keegan R. Adair, Changhong Wang, Mohammad Norouzi Banis, Tsun-Kong Sham, Li Zhang, Shangqian Zhao, Shigang Lu, Huan Huang, Ruying Li, Xueliang Sun, H2O‐Mediated Synthesis of Superionic Halide Solid Electrolyte, Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201909805
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201909805
7. Angew: 用于選擇性傳輸Mg2+的MOF薄膜
作為負極材料，Mg對后鋰離子電池儲能應用具有巨大潛力，限制其利用的一個關鍵挑戰(zhàn)是負極和正極之間的化學不相容性。該問題可以通過將負極電解液和正極電解液與僅允許Mg2+傳輸且阻擋溶劑和抗衡離子的分離膜來解決，具備該潛質的合適的材料是MOF材料。波士頓學院ChiaKuang Tsung和Dunwei Wang團隊使用Mg-MOF-74薄膜作為負極電解液和正極電解液之間的隔膜。該薄膜能夠滿足低電阻且選擇性傳輸Mg2+的需要。
均勻的MOF薄膜支撐在Au襯底上，厚度低至ca. 202 nm，顯示出低至6.4Ω·cm2的固有電阻，室溫下離子電導率為3.17×10-6 S·cm-1。當直接合成到多孔負極氧化鋁（AAO）載體上時，所得膜用作獨立膜，能夠實現(xiàn)穩(wěn)定的、低過電位的Mg條電鍍/剝離，在0.05 mA/cm2的電流密度下超過100次循環(huán)。化學和電化學表征證明該薄膜有效地阻止溶劑分子和抗衡離子如雙（三氟甲磺酰基）酰亞胺（TFSI-）的長時間交叉。
Jingru Luo, Yang Li, Haochuan Zhang, Ailun Wang, Wei-Shang Lo, Qi Dong, Nicholas Wong, Christopher Povinelli, Yucai Shao, Sumanth Chereddy, Stephanie Wunder, Udayan Mohanty, Chia-Kuang Tsung, Dunwei Wang, Metal‐Organic Framework Thin Film for Selective Mg2+ Transport, Angewandte Chemie International Edition, 2019.
DOI: 10.1002/anie.201908706
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908706
8. Chem：銻--構建高性能鈉離子全電池的理想電極
銻基材料具有660 mAh g-1（Na3Sb）的高理論容量，是鈉離子電池（NIBs）的理想負極材料。事實上，銻基合金化和轉化合金化電極具有高容量和循環(huán)穩(wěn)定性，新開發(fā)的策略克服了常見的體積膨脹問題，所有這些都使人們對銻基NIB材料產(chǎn)生了新的興趣。
印度科學教育研究所的Vanchiappan Aravindan綜述了銻基材料在NIBs、Na離子燃料電池、海水電池和Na空氣電池等儲能轉換裝置中的性能。該文還討論了采用銻基材料（如銻碳復合材料和Sb2X3（X-O和S））的NIB中的常見問題，以及解決這些限制的幾種策略。
Subramanyan, K.; Aravindan, V., Stibium: A Promising Electrode toward Building High-Performance Na-Ion Full-Cells. Chem 2019.
DOI：10.1016/j.chempr.2019.08.007
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929419303766#!
9. AM: 三維蜂窩狀結構助力高倍率長壽命FeF3-Li電池
金屬氟化物-鋰電池具有比鋰硫電池還高的能量密度，因而被視為新一代輕質低成本可充電池的首選。然而，到目前為止，金屬氟化物正極面臨著電子電導率低、反應動力學緩慢等痼疾，并進一步造成了電壓衰減、倍率性能不佳和容量衰減等諸多問題。在本文中，中南大學和德國馬普研究所的Feixiang Wu和中科大的Yan Yu等通過簡單方法合成了具有三維蜂窩狀結構的FeF3@C復合正極材料解決了上述問題。
粒徑10-15nm的FeF3納米粒子均勻地負載在三維蜂窩狀碳框架中，蜂窩壁及其六邊形孔道為離子和電子的快速傳輸提供了足夠的通道。因此，這種三維蜂窩狀FeF3@C復合正極在活性物質載量高達5.3mg/cm2的狀態(tài)下能夠在100C的高倍率下穩(wěn)定循環(huán)1000周。該研究結果表明三維蜂窩狀結構是一種功能強大的金屬氟化物轉化型復合材料，可在金屬氟化物鋰電池中獲得優(yōu)異的電化學性能。
Feixiang Wu, Yan Yu et al, 3D Honeycomb Architecture Enables a High‐Rate and Long‐Life Iron (III) Fluoride–Lithium Battery, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905146?af=R
10. Nature Energy: 含氟原甲酸鹽電解質中生成的整體式SEI膜減少鋰損耗和粉化
鋰金屬負極在循環(huán)過程中的粉化和相關的體積膨脹是影響鋰金屬電池安全工作的一個關鍵問題。在本文中，美國西北太平洋國家實驗室的Wu Xu和Ji-guang Zhang 等使用基于氟化的原甲酸鹽電解質最大限度地減少了循環(huán)過程中鋰負極的粉化。在這種電解質中形成的SEI膜表現(xiàn)出整體式結構，這與廣泛報道的鑲嵌式或多層式SEI膜的結構截然不同。鑲嵌式或多層SEI膜在結構和組分上的不均勻性會誘發(fā)鋰的不均勻沉積和鋰以及電解液的持續(xù)消耗。
本文所研究的整體式SEI膜不僅能夠抑制鋰枝晶的形成，而且能夠將鋰的損失和體積膨脹最小化。此外，這種新型電解質還能夠抑制NCM811正極材料的相變并穩(wěn)定其晶體結構。高壓Li/NCM811電池測試表現(xiàn)出長循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能以及降低的安全風險。
Xia Cao, Wu Xu, Ji-guang Zhang et al, Monolithic solid–electrolyte interphases formed in fluorinated orthoformate-based electrolytes minimize Li depletion and pulverization, Nature Energy, 2019
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0464-5
