1. Matter: 可充電金屬-空氣電池的材料設計綜述
可充電金屬-空氣電池具有比能量高、性能穩(wěn)定、成本較低等優(yōu)點，是一種非常有潛力的電化學能量儲存和轉(zhuǎn)換技術，對解決日益嚴重的能源短缺和環(huán)境污染具有重要意義。目前，金屬-空氣電池的實際應用還面臨著一些問題，如功率密度和庫侖效率較低，濕貯存性能差、ORR/OER動力學緩慢，穩(wěn)定性較差等，而這些問題基本都與組成材料有關，因此制備高性能、低成本、穩(wěn)定的金屬-空氣電池材料至關重要。
鑒于此，最近日本京都大學的徐強教授對金屬-空氣電池的材料設計綜述進行了綜述，他們首先介紹了金屬-空氣電池的基本原理和最新進展，然后著重分析歸納了金屬-空氣電池各部件材料設計的原則和策略，并對目前存在的問題進行了剖析，對未來的發(fā)展方向做出了總結(jié)和展望，有利于促進金屬-空氣電池的進一步發(fā)展和實際應用。
Hao-Fan Wang, Qiang Xu. Materials Design for Rechargeable Metal-Air Batteries. Matter, 2019.
DOI: 10.1016/j.matt.2019.05.008
https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.05.008
2. Angew: 親鈉界面誘導的無枝晶負極助力超高比容量鈉金屬電池
高理論容量的鈉金屬負極在構(gòu)建高比能金屬鈉電池方面受到了廣泛關注。盡管人們在穩(wěn)定金屬鈉負極和抑制枝晶生長方面做出了很多努力，但是實現(xiàn)高面容量（10mAh/cm2）金屬鈉電池的長期穩(wěn)定循環(huán)仍然十分困難。在本文中，復旦大學的Huisheng Peng 和Bingjie Wang等報道了一種基于氧官能化的碳納米管網(wǎng)絡親鈉界面。
這種界面能夠同時促進鈉的均勻成核和無枝晶的橫向生長行為。這一親鈉界面使得具有10mAh/cm2高面容量的金屬鈉負極能夠保持3000周的穩(wěn)定循環(huán)。由于氧功能化介導的無枝晶鈉形態(tài)，這種高容量鈉負極的實現(xiàn)使得鈉空氣電池在很大程度上提高了循環(huán)性能。這一令人鼓舞的性能為通過合成功能性納米碳材料設計先進的鈉金屬電池提供了參考。
Lei Ye, Bingjie Wang, Huisheng Peng et al, Sodiophilic interphase mediated, dendrite-free anode with ultrahigh specific capacity for sodium-metal batteries, Angewandte Chemie International Edtion,2019
DOI: 10.1002/anie.201910202
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201910202?af=R
3. Angew: 鋰鹽介導的共價三嗪框架的合成助力高穩(wěn)定鋰金屬電池
金屬鋰負極憑借其高理論比容量和最低的氧化還原電勢等優(yōu)勢而成為構(gòu)建新一代高比能二次電池的首選。然而，嚴重的枝晶生長以及由此誘導的安全問題限制了金屬鋰負極的實際應用。在本文中，瑞典弗萊堡大學的Jang Wook Choi與Ali Coskun等以LiTFSI為催化劑在離子熱條件下對1,4-二氰基苯進行聚合合成了共價三嗪框架（CTF）。
LiTFSI在這個反應中不僅作為催化劑，還能夠促進原位生成LiF并使其在框架中均勻分布。他們將這種CTF-LiF負載在氣輔紙(AP)上后形成了一種分層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中CTF提供親鋰性、LiF有助于提升界面穩(wěn)定性而AP則提供了足夠的儲鋰空間。基于上述協(xié)同效應，CTF-LiF-Li負極即便在10mA/cm2的高電流密度下也表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
Tianhong Zhou, Jang Wook Choi, Ali Coskun et al, Lithium Salt Mediated Synthesis of a Covalent Triazine Framework for Highly Stable Lithium Metal Batteries, Angewandte Chemie International Edtion,2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908513?af=R
4. EES: 極性聚合物-溶劑相互作用衍生界面助力高穩(wěn)定鋰金屬電池
鋰金屬被視為未來可充二次電池中最具前景的負極材料之一。然而，金屬鋰與碳酸酯電解液之間嚴重的副反應以及高電流密度下的枝晶生長嚴重限制了金屬鋰電池的實際應用。在本文中，德克薩斯大學奧斯汀分校的Guihua Yu等通過調(diào)控聚合物-溶劑相互作用采用極性聚合物保護層有效抑制了環(huán)狀碳酸酯對金屬鋰負極的腐蝕。
極性聚合物框架中的-CN能夠有效抑制碳酸酯溶劑中的-C=O的反應活性從而有助于形成高無機含量的穩(wěn)定SEI膜。原位光學和電子顯微鏡均發(fā)現(xiàn)極性聚合物網(wǎng)絡有效抑制了鋰枝晶的形成與生長，從而使得金屬鋰在Li/Li對稱電池和Li/NCM111全電池中均能夠表現(xiàn)出穩(wěn)定的沉積-剝離行為。該研究為控制電解液配位形成穩(wěn)定的鋰電池碳酸酯電解液SEI層提供了有益的指導。
Jiwoong Bae, Guihua Yu et al, Polar polymer-solvent interaction derived favorable interphase for stable lithium metal batteries, Energy & Environmental Science,2019
DOI: 10.1039/C9EE02558H
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/EE/C9EE02558H#!divAbstract
5. ACS Nano: 導電高分子PPy包覆多孔微米硅作為高性能電極材料
硅具有低成本、高比容量等優(yōu)點，是一種非常有潛力的電極材料，但是較差的導電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、復雜的制備工藝限制了其在能源領域的廣泛應用。具有納米多孔結(jié)構(gòu)的硅雖然一定程度上緩解了體積膨脹問題，但極化效應以及固體電解質(zhì)界面膜的生長導致循環(huán)性能較差。最近，威斯康星大學密爾沃基分校的牛俊杰教授課題組以鋁硅合金為前驅(qū)體，通過溶膠-凝膠法和酸刻蝕法制備了具有球籠結(jié)構(gòu)的導電高分子PPy包覆的多孔微米硅材料，PPy包覆層的厚度小于5nm，但有效提高了材料的導電性，球籠結(jié)構(gòu)可以有效緩解體積膨脹問題。
電化學性能測試發(fā)現(xiàn)，該電極材料的首圈庫倫效率為78.2 %，電荷轉(zhuǎn)移電阻僅為50 ohm左右，在高達4.4mg/cm2的高負載量下，其首圈比容量為1941 mAh/g (0.2C)，循環(huán)400次之后，其比容量為1660mAh/g，庫倫效率高達99.4%，表明該PPy包覆的多孔微米硅材料作為電極具有巨大的商應用潛力。
Yingying Lv, Mingwei Shang, Xi Chen, Parisa Shabani Nezhad, Junjie Niu*. Largely Improved Battery Performance Using a Microsized Silicon Skeleton Caged by Polypyrrole as Anode. c, 2019
DOI: 10.1021/acsnano.9b06301
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b06301
6. ACS Nano: 碳/石墨烯晶體微球電極用作高效電極材料
石墨烯具有優(yōu)異的導電性和二維層狀結(jié)構(gòu)，是一種非常具有潛力的電極材料，但目前仍存在比表面積較大，導致庫侖效率較低等問題。近日，湖南大學的魯兵安教授和楊紅官副教授團隊以蔗糖為碳源，采用水熱法和高溫退火工藝制備了一種具有核桃狀核殼結(jié)構(gòu)的碳/石墨烯晶體微球。
研究發(fā)現(xiàn)，外表面的晶體碳結(jié)構(gòu)可以有效保護內(nèi)部的石墨烯，而碳球內(nèi)部的石墨烯片堆疊形成的三維空間有助于離子的儲存，該碳/石墨烯特殊晶體微球復合材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和離子儲存性能，將其作為鉀離子電池負極，初始容量高達297.89 mAh/g，庫侖效率高達99%，且表現(xiàn)出很好的循環(huán)穩(wěn)定性。該工作為石墨烯基電極材料的改進提供了一種新的方案，有利于促進石墨烯在電化學領域的實際應用。
Zhaomeng Liu, Jue Wang, Xinxin Jia, Wenlong Li, Qingfeng Zhang, Ling Fan, Hongbo Ding, Hongguan Yang*, Xinzhi Yu, Xuanke Li, Bingan Lu*. Graphene Armored with Crystal Carbon Shell for Ultrahigh-Performance Potassium Ion Batteries and Aluminum Batteries. ACS Nano, 2019
DOI: 10.1021/acsnano.9b04893
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b04893
7. Small: 碳納米管與導電Ni3(HITP)2復合材料用于鋰硫電池電極
鋰硫電池具有理論比容量高和比能量密度高的突出優(yōu)勢，但是導電性差、電化學反應動力學緩慢、多硫化物穿梭、容量快速衰減、體積膨脹等問題嚴重阻礙了鋰硫電池的實際應用。金屬有機框架材料（MOF）具有比表面積大、孔道結(jié)構(gòu)可調(diào)的特點，是一種非常有潛力的電極材料，然而固有的有機配體導致MOF材料的導電性較差。因此，設計制備一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、導電良好、具有豐富活性位點的MOF材料用于鋰硫電池電極材料仍是一項較大的挑戰(zhàn)。
鑒于此，吉林大學的韓煒教授和美國德雷塞爾大學的李臘博士課題組合作利用水熱法將Ni3(HITP)2與碳納米管復合，制備了高導電的Ni3(HITP)2-CNT材料，該材料將Ni3(HITP)2的短程導電性與碳納米管的長程導電性相結(jié)合，組成高電子和離子導電性的導電網(wǎng)絡，用作電極材料，具有優(yōu)異的電化學性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在0.2 C下具有1302.9 mAh/g的高初始容量，100次循環(huán)后能保持848.9 mAh/g。
Dong Cai, Mengjie Lu, La Li*, Junming Cao, Duo Chen, Haoran Tu, Junzhi Li, Wei Han*.A Highly Conductive MOF of Graphene Analogue Ni3(HITP)2 as a Sulfur Host for High‐Performance Lithium–Sulfur Batteries. Small, 2019
DOI：10.1002/smll.201902605
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201902605
8. AM: 無序巖鹽結(jié)構(gòu)助力水溶液鋅離子電池
由于多價離子的強烈電荷排斥和本征的遲緩動力學，鋅離子在電極材料中的大量快速儲存仍然難以實現(xiàn)。在本文中，北京航空航天大學的楊樹斌教授團隊通過用低價氧取代高價氮的方式構(gòu)筑了具有豐富空位或缺陷的無序巖鹽結(jié)構(gòu)，從而有效解鎖了巖鹽氧化釩儲存Zn2+的電化學反應潛力。這種無序巖鹽結(jié)構(gòu)不僅提供了豐富的Zn2+儲存位點，而且有助于Zn2+的擴速擴散。
這恰恰得益于其結(jié)構(gòu)中存在的大量空位或缺陷。這種材料能夠在0.2C下實現(xiàn)604mAh/g的高可逆比容量，在600C的高倍率下可逆容量也有124mAh/g。該工作為設計高比能高功率水溶液鋅離子電池正極材料提供了全新的有效手段。
Junwei Ding, Shubin Yang et al, Unlocking the Potential of Disordered Rocksalts for Aqueous Zinc-Ion Batteries, Advanced Materials,2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904369?af=R
9. AFM: 膠原質(zhì)基生物質(zhì)多孔炭的可控設計、制備及在電化學能量存儲與轉(zhuǎn)換領域的應用
低成本和高性能的電極材料對于開發(fā)利用超級電容器、燃料電池等先進的電化學能量儲存和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)至關重要。具有高電導率、大比表面積、化學性質(zhì)穩(wěn)定的多孔炭材料是一種非常具有前景的電極材料。近年來，植物基前軀體及其衍生物如纖維素、木質(zhì)素、葡萄糖和蔗糖等被大量研究用于制備生物質(zhì)基多孔炭材料，他們具有低成本、可持續(xù)、多元素原位摻雜及具有天然孔道結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，但研究人員也逐漸發(fā)現(xiàn)這些植物性前軀體的獲取受季節(jié)和區(qū)域的影響較大，雜元素含量較低且易流失，需要較為復雜的前期預處理，這些問題在一定程度上限制了其在電化學領域的廣泛應用。
全球每年會產(chǎn)生大量的肉類副產(chǎn)物，如內(nèi)臟、骨骼等，研究人員發(fā)現(xiàn)這些肉類副產(chǎn)物中富含的蛋白質(zhì)是雜原子摻雜炭材料的的優(yōu)質(zhì)前軀體，尤其是這些動物性前驅(qū)體中含有的豐富膠原蛋白含有大量S、P等元素，而且動物性前驅(qū)體中含有的其他無機物可以發(fā)揮模板劑的作用，通過高溫炭化裂解工藝，可以制備具有多原子摻雜和豐富納米多孔結(jié)構(gòu)的多孔炭材料，作為電極材料具有非常優(yōu)異的性能。
最近，北京化工大學的王峰教授、黃雅欽教授和張正平副教授等系統(tǒng)綜述了膠原質(zhì)基生物質(zhì)多孔炭的可控設計、制備及在電化學能量存儲與轉(zhuǎn)換領域的應用。在分析膠原生物質(zhì)前驅(qū)體的結(jié)構(gòu)組成的基礎上，詳細介紹了膠原質(zhì)基多孔炭的制備和性能結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，并對膠原質(zhì)基多孔炭在電化學能源存儲以及轉(zhuǎn)換領域中的具體應用實例進行了解讀，為膠原質(zhì)基多孔炭的進一步研究和應用提供了助力。
Jin Niu, Rong Shao, Mengyue Liu, Yongxi Zan, Meiling Dou, Jingjun Liu, Zhengping Zhang*, Yaqin Huang*, Feng Wang*. Porous Carbons Derived from Collagen‐Enriched Biomass: Tailored Design, Synthesis, and Application in Electrochemical Energy Storage and Conversion. AFM, 2019.
DOI: 10.1002/adfm.201905095
https://doi.org/10.1002/adfm.201905095
10. AM: N摻雜分級多孔碳用于鋅離子混合超級電容器
先進高能量密度鋅離子混合超級電容器是一種低成本、易回收的新型電化學儲能器件，具有廣闊的應用前景，但目前仍存在高電流密度下能量密度較低、循環(huán)穩(wěn)定性較差等問題。鑒于此，山大學盧錫洪教授和劉曉慶副研究員課題組以NaY沸石為犧牲模板，以糠醇為碳源，通過改進的等靜壓輔助浸漬法制備了碳前驅(qū)體，模板去除和炭化裂解后制備得到具有N摻雜劑和分層孔結(jié)構(gòu)的多孔碳（HPCs）樣品。
該PCs材料由不規(guī)則的顆粒相互交聯(lián)組成三維網(wǎng)絡分級多孔結(jié)構(gòu)，大孔和介孔主要由多孔沸石模板賦予，而且通過TEM可以觀察到HPCs表面存在大量超薄的石墨烯，有利于豐富活性位點，提高反應活性。以該HPCs為正極組裝先進高能量密度鋅離子混合超級電容器，發(fā)現(xiàn)豐富的分級多孔結(jié)構(gòu)使鋅離子的化學吸附能力得到明顯提高，在4.2A/g的高電流密度下，該電容器表現(xiàn)出107.3 Wh/kg的超高能量密度、24.9 kW/kg的功率密度，而且循環(huán)20000周后其仍具有99.7%的保持率。該工作制備的HPCs在先進高能量密度鋅離子混合超級電容器上具有巨大的應用潛力，并且為制備高能量密度的電極材料提供了一種新的思路。
Haozhe Zhang, Qiyu Liu, Yuanbin Fang,, Chunlin Teng, Xiaoqing Liu*, Pingping Fang, Yexiang Tong, and Xihong Lu*. Boosting Zn-Ion Energy Storage Capability of Hierarchically Porous Carbon by Promoting Chemical Adsorption. Advanced Materials, 2019
DOI: 10.1002/adma.201904948
https://doi.org/10.1002/adma.201904948
