2019年，Goodenough老先生、日本Akira Yoshino先生 和英國M. Stanley Whittingham先生獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎。這個諾獎的頒布，不僅僅是對三位在電池屆做出造福全人類貢獻(xiàn)的認(rèn)可，也是對所有致力于電池領(lǐng)域的科研人員和企業(yè)人員的認(rèn)可和激勵。道阻且長，行則將至！相信每個人的努力，都將為能源領(lǐng)域的大變革，貢獻(xiàn)力量。
由于電池的組成復(fù)雜，能夠影響到電池最終性能的因素真的很多，所以針對不同的部件，都有諸多科研人員的不懈努力。近一個月以來，電池領(lǐng)域持續(xù)取得諸多新進(jìn)展。其中，不乏電池-材料領(lǐng)域各位大佬級別的文章，比如，Bruce Dunn、崔屹、陸俊、許武、張繼光、黃維、張華、周豪慎、于吉紅、王春生、支春義、郭再萍、麥立強(qiáng)、梁叔全等等不再列舉了，綜述內(nèi)容包括比較熱的碳材料、鋅離子電池，贗電容，以及關(guān)于一些表征儀器在電化學(xué)儲能方面的應(yīng)用，包括中子衍射，原位TEM。接下來就是在各種堿離子電池體系中針對不同材料的最新進(jìn)展。可以看出，碳基負(fù)極材料在各種新型堿離子體系中打下了一片江山。鋅離子電池仍然是“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上頭”。鋰金屬依然是一大熱門方向。各個方向都有亟待解決的問題，各個材料也都有各自的固有缺陷和優(yōu)勢，不管是處于哪個方向，都有值得研究的價值和意義，關(guān)鍵在于，從哪個角度去出發(fā)，去分析。
20190923-1020
一：電化學(xué)儲能各方面的綜述
二：鋅離子電池/鈉離子電池/鉀離子電池/鋰離子電池
三：鋰金屬
四：電容器
五：電解質(zhì)、隔膜
一：電化學(xué)儲能各方面的綜述
1. Nature Reviews Materials綜述:用贗電容材料實現(xiàn)高能量密度和高功率密度
電池和超級電容器是電化學(xué)儲能設(shè)備的基礎(chǔ)。盡管兩者都依賴于電化學(xué)過程，但它們的電荷存儲機(jī)制卻不相同，從而導(dǎo)致不同的能量和功率密度。贗電容材料通過類似電池的氧化還原反應(yīng)來存儲電荷，但其速率可與電化學(xué)雙層電容器媲美。因此，這些材料提供了實現(xiàn)高能量和高功率密度的途徑。需要具有這些特性的材料，以實現(xiàn)能夠長時間提供高功率的快速充電電化學(xué)儲能裝置。
近日，加州大學(xué)洛杉磯分校Bruce Dunn 綜述了贗電容材料的基本電化學(xué)性能，重點介紹了動力學(xué)過程以及電池和贗電容材料之間的區(qū)別。此外，還討論了各種類型的贗電容材料，重點介紹了本征材料和非本征材料之間的區(qū)別；評估設(shè)備應(yīng)用；并展望該領(lǐng)域的未來前景。
Choi , C. Dunn, B. et al. Achieving high energy density and high power density with pseudocapacitive materials. Nature Reviews Materials 2019.
DOI:10.1038/s41578-019-0142-z
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0142-z
2. Chemical Reviews:電化學(xué)儲能中的納米線
納米材料憑借其顯著不同于體相材料或微米材料的納米尺寸效應(yīng)為電化學(xué)儲能器件提供了很多獨特的性質(zhì)。尤其值得注意的是，受限制的維度在決定納米材料的性質(zhì)方面起到了十分關(guān)鍵的作用，比如離子擴(kuò)散動力學(xué)，應(yīng)變/應(yīng)力的大小，以及活性材料的利用等性質(zhì)。納米線作為一種具有代表性的一維納米材料，由于能夠保持長軸上的電子輸運，并且在直徑上具有約束效應(yīng)，因此在能量存儲領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
在這篇綜述中，武漢理工大學(xué)的麥立強(qiáng)教授與斯坦福大學(xué)的崔屹教授等對電化學(xué)儲能納米線的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，從合理的設(shè)計和合成、原位結(jié)構(gòu)表征、到包括鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池在內(nèi)的能量存儲中的幾個重要應(yīng)用。文章指出了電化學(xué)儲能存在的問題和局限性以及利用納米線解決這些問題和提高器件性能的優(yōu)點。最后，作者還討論了納米線在儲能領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)，并展示了先進(jìn)的納米線為基礎(chǔ)的儲能設(shè)備的未來發(fā)展前景。
Guangming Zhou, Liqiang Mai, Yi Cui et al, Nanowires for Electrochemical Energy Storage, Chemical Reviews, 2019
DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00326
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00326
3. AM綜述：原位透射電子顯微鏡用于能量材料研究的最新進(jìn)展
原位透射電子顯微鏡（TEM）是在原子分辨率下揭示物理和化學(xué)過程動力學(xué)的最強(qiáng)大方法之一。近日，昆士蘭科技大學(xué)Dmitri Golberg，Chao Zhang等總結(jié)了原位TEM技術(shù)的最新發(fā)展，重點介紹了原位TEM如何通過揭示納米級的詳細(xì)機(jī)制，使各種事件可視化，并解決能源領(lǐng)域的問題。相關(guān)應(yīng)用包括可充電電池，例如鋰離子，鈉離子，LiO2，NaO2，LiS等，燃料電池，熱電，光電和光催化。為了促進(jìn)各種應(yīng)用，討論了引入加熱，冷卻，電偏壓，光照明以及液體和氣體環(huán)境的原位刺激的方法。近期原位TEM在能源應(yīng)用中的進(jìn)展對未來與能源相關(guān)的各個領(lǐng)域?qū)π履茉床牧系难芯烤哂兄匾獑l(fā)意義。
Chao Zhang,* Dmitri Golberg*, et al. Recent Progress of In Situ Transmission Electron Microscopy for Energy Materials. Adv. Mater. 2019,
DOI: 10.1002/adma.201904094
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201904094
4. AM: 使用NPD了解可充電電池的功能
可充電電池的性能受循環(huán)過程中組件的結(jié)構(gòu)和相變的影響。中子粉末衍射（NPD）提供了有關(guān)電池組件的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系的獨特且有用的信息，可用于研究電池循環(huán)過程中組件相和結(jié)構(gòu)的變化。近日，伍倫貢大學(xué)Wei Kong Pang、Vanessa K. Peterson 總結(jié)了NPD在電池操作測量中的開發(fā)和使用，包括電極材料的結(jié)構(gòu)和相演化以及通過這些材料的載流離子擴(kuò)散途徑，這對于電池技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。
Liang, G. Peng,W. K. Peterson, V. K. et al. Understanding Rechargeable Battery Function Using In Operando Neutron Powder Diffraction. AM 2019.
DOI: 10.1002/adma.201904528
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201904528
5. AM綜述：碳基納米籠—先進(jìn)儲能與轉(zhuǎn)換的新平臺
能量儲存與轉(zhuǎn)換在現(xiàn)代能量體系中扮演著十分重要的角色，因此先進(jìn)電極材料的使用就顯得十分重要。碳基納米籠由sp2雜化的碳?xì)そM成，具有一個中空的內(nèi)部空腔、在殼體內(nèi)具有亞微米級的微通道、具有外表面缺陷的高比表面積以及可調(diào)諧的電子結(jié)構(gòu)，與之前得到深入研究的納米碳如碳納米管和石墨烯等有很大的不同。這些結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征使得碳基納米籠成為先進(jìn)儲能和轉(zhuǎn)換的新平臺。
在本文中，南京大學(xué)的Zheng Hu等綜述了碳基納米籠的最新合成策略，以及利用其獨特的多孔結(jié)構(gòu)和形態(tài)對復(fù)合材料的構(gòu)建及其在先進(jìn)儲能和能量轉(zhuǎn)換技術(shù)中的重要應(yīng)用。文章深入探討了結(jié)構(gòu)-功能相關(guān)性以突出碳基納米籠的貢獻(xiàn)。作者最后展望了該多功能材料研究和應(yīng)用的深化和發(fā)展趨勢。
Qiang Wu, Zheng Hu et al, Carbon‐Based Nanocages: A New Platform for Advanced Energy Storage and Conversion, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904177?af=R
6. AM綜述：碳球作為可持續(xù)能源應(yīng)用的納米反應(yīng)器
膠態(tài)碳球納米反應(yīng)器因其獨特的性能，例如優(yōu)異的導(dǎo)電性，高比表面積，可控制的孔隙率和滲透性以及表面功能等，而被廣泛地研究并用于能量存儲，電化學(xué)轉(zhuǎn)化和催化領(lǐng)域。
近日，中科院大連化物所Jian Liu團(tuán)隊總結(jié)了膠體碳球納米反應(yīng)器合成和應(yīng)用的最新研究成果。首先討論了各種合成策略，包括硬模板法，軟模板法，水熱碳化，微乳液聚合法以及St?ber法的擴(kuò)展。然后，討論了膠體碳球納米反應(yīng)器的功能化，包括組成的納米工程和表面特征。隨后，介紹了膠體碳球納米反應(yīng)器在能量存儲，電化學(xué)轉(zhuǎn)化和催化領(lǐng)域的主要應(yīng)用的最新進(jìn)展。最后，就具有可調(diào)結(jié)構(gòu)的膠態(tài)碳球納米反應(yīng)器的受控合成和功能化，以及實際應(yīng)用中所需的組成和性質(zhì)，對未來發(fā)展的觀點和挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論。
Hao Tian, Ji Liang, and Jian Liu*. Nanoengineering Carbon Spheres as Nanoreactors for Sustainable Energy Applications. Adv. Mater. 2019,
DOI: 10.1002/adma.201903886
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903886
7. AM綜述：用于鋰基電池的電沉積技術(shù)—儲能領(lǐng)域的新前沿
電沉積技術(shù)與鋰基電池中廣泛采用的固相技術(shù)有所區(qū)別，它主要是在導(dǎo)電表面上誘導(dǎo)材料合成。電沉積通過施加電能而不是加熱來驅(qū)動耗能反應(yīng)。這些特性使得電沉積技術(shù)能夠滿足傳統(tǒng)制造技術(shù)很少能實現(xiàn)的電池生產(chǎn)過程中的一些需要。在本文中，南京大學(xué)的Huigang Zhang等綜述了鋰離子電池電沉積技術(shù)的最新進(jìn)展。
作者認(rèn)為，鋰基電池的每一組分都可以通過多種方法電沉積方法進(jìn)行合成。電沉積的優(yōu)點是本文關(guān)注的重點，作者將其與傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了對比以期能夠為更好地構(gòu)建鋰離子電池提供新的啟發(fā)。電沉積涂層表面的共形膜可以控制薄膜厚度，為改善電池性能提供了有效途徑。電沉積工程界面可以穩(wěn)定固體電解質(zhì)界面（SEI），增強(qiáng)活性材料與基體的結(jié)合，從而延長電池壽命。最后，作者展望了電沉積電池的未來研究方向并認(rèn)為電沉積技術(shù)的顯著優(yōu)點將大大推動鋰基電池的發(fā)展。
Jun Pu, Huigang Zhang et al, Electrodeposition Technologies for Li‐Based Batteries: New Frontiers of Energy Storage, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201903808?af=R
8. AM綜述: 二維第五主族二元材料的研究現(xiàn)狀和未來前景
二維磷烯、二維砷烯、二維銻烯、二維鉍烯作為一類二維單質(zhì)材料，以其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電子性能引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，而將單質(zhì)晶體調(diào)整為雙元素晶體能夠保持其獨特結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，調(diào)節(jié)其性能，并進(jìn)一步擴(kuò)展其多功能應(yīng)用。
近日，南京理工大學(xué)的曾海波教授課題組和深圳大學(xué)的張晗教授課題組合作綜述了二維第五主族二元材料研究現(xiàn)狀和未來前景，介紹了它們的各種有趣的電子性質(zhì)，包括能帶結(jié)構(gòu)、載流子遷移率、拉什巴效應(yīng)和拓?fù)錉顟B(tài)，重點說明了它們在制備方法和潛在應(yīng)用方面的進(jìn)展，最后詳細(xì)介紹了二維第五主族二元材料未來發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
Shiying Guo, Yupeng Zhang, Yanqi Ge, Shengli Zhang, Haibo Zeng, Han Zhang. 2D V-V Binary Materials: Status and Challenges. Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201902352
https://doi.org/10.1002/adma.201902352
9. EES綜述: 水系鋅離子電池面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
以水基電解質(zhì)為基礎(chǔ)的鋅離子電池具有引人注目的價格優(yōu)勢、具有競爭力的性能和出色的安全性，是替代當(dāng)前鋰離子電池系統(tǒng)的一種先進(jìn)儲能化學(xué)技術(shù)。開發(fā)可充電的鋅離子水電池（ZIBs）的嘗試最早可以追溯到20世紀(jì)80年代，自2015年以來，這一領(lǐng)域的研究活動在全球范圍內(nèi)激增。盡管到目前為止，電極材料的探索已經(jīng)取得了很大的成就，但在材料層面，甚至在整個水性ZIBs系統(tǒng)上都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致其無法滿足商業(yè)需求。
近日，中南大學(xué)的周江教授和梁叔全教授綜述了水性ZIBs電極材料和電解質(zhì)的研究現(xiàn)狀，分析了目前在陰極/陽極材料和電解質(zhì)優(yōu)化方面存在的問題，詳細(xì)討論了實現(xiàn)實用水性ZIBs應(yīng)注意的問題和可行的解決方案，需要指出的是，僅僅改進(jìn)電極材料是不夠的，對整個電池系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化策略也是迫切需要的，最后，他們對今后ZIBs的優(yōu)化設(shè)計提出了展望。
Boya Tang, Lutong Shan, Shuquan Liang, Jiang Zhou. Issues and Opportunities Facing Aqueous Zinc-ion Batteries. Energy & Environmental Science, 2019.
DOI: 10.1039/C9EE02526J
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee02526j#!divAbstract
二：鋅離子電池/鈉離子電池/鉀離子電池/鋰離子電池
1. AM：電愈合法原位消除Zn枝晶有效提高電池壽命
水性鋅離子電池（ZBs）具有成本低和能量密度高的優(yōu)勢，是一種非常具有潛力的電池，但是和Li離子電池一樣面臨著Zn枝晶的問題。傳統(tǒng)的解決Zn枝晶的方法是使Zn2+均勻分布或通過電極材料物理屏蔽枝晶。
近日，香港城市大學(xué)的支春義教授和范俊教授課題組在研究ZBs的枝晶問題的基礎(chǔ)上，提出了一種通過電愈合主動消除已形成的枝晶的方法，他們發(fā)現(xiàn)在中性/溫和電解質(zhì)中，Zn枝晶在大電流密度或高正極負(fù)載量下會迅速破壞電池，而且Zn枝晶的存在與電池配置和充電/放電條件相關(guān)，因此，通過特定的充電/放電方法控制電流密度，可以使已經(jīng)形成的枝晶重新溶解，原位消除已形成的Zn枝晶，利用該方法可以將ZBs的壽命延長5倍。該工作為解決電池中的枝晶問題提供了一種新的思路。
Qi Yang, Guojin Liang, Ying Guo, Zhuoxin Liu, Boxun Yan, Donghong Wang, Zhaodong Huang, Xinliang Li, Jun Fan*, Chunyi Zhi*. Do Zinc Dendrites Exist in Neutral Zinc Batteries: A Developed Electrohealing Strategy to In Situ Rescue In-Service Batteries. Adv. Mater., 2019
DOI: 10.1002/adma.201903778
https://doi.org/10.1002/adma.201903778
2. Sci. Adv.：鋅釩氧化物陰極鋅離子電池的超長周期穩(wěn)定性
可充電水性鋅離子電池是一種很有前途的大規(guī)模儲能電池，但由于缺乏既具有優(yōu)良的倍率性能又具有足夠的循環(huán)壽命的正極材料而備受困擾。北京大學(xué)Junrong Zheng和Jitao Chen通過設(shè)計一種新穎的層狀多孔結(jié)構(gòu)的鋅釩氧化物材料來克服這一障礙。這種Zn0.3V2O5·1.5H2O陰極在0.2A g-1時具有426mA·h g-1的高比容量，在10A g-1時具有空前的超長循環(huán)穩(wěn)定性，在20000次循環(huán)中保持96%的容量。
其電化學(xué)機(jī)理是：鋅插層引起的晶格收縮與氫插層引起的晶格膨脹相互抵消，使晶格在充放電過程中保持恒定，有利于循環(huán)穩(wěn)定性。分層多孔結(jié)構(gòu)與電解質(zhì)提供了豐富的接觸，縮短了離子擴(kuò)散路徑，并提供了緩沖以緩解電化學(xué)過程中產(chǎn)生的應(yīng)變，促進(jìn)了快速動力學(xué)和長期穩(wěn)定性。
Wang, L.; Huang, K.-W.; Chen, J.; Zheng, J., Ultralong cycle stability of aqueous zinc-ion batteries with zinc vanadium oxide cathodes. Science Advances 2019, 5 (10), eaax4279.
DOI：10.1126/sciadv.aax4279
https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaax4279
3. AEM:無枝晶柔性纖維用于長循環(huán)壽命鋅電池
纖維狀可重復(fù)水系鋅電池具有良好的靈活性、可靠性、高性價比、高能量/功率密度和高安全性等優(yōu)點，已成為未來可穿戴設(shè)備的重要儲能設(shè)備，但受鋅枝晶生長和電極不可逆性增加的影響，其循環(huán)壽命較差，充放電性能較差。
鑒于此，中物院化工材料研究所的程建麗，王斌研究員和阿貢實驗室的陸俊研究員團(tuán)隊合作設(shè)計合成了一種新型的三維結(jié)構(gòu)片狀堆疊的纖維狀鋅負(fù)極材料，碳纖維表面的氮氧官能團(tuán)能夠增強(qiáng)基底與Zn的結(jié)合能力，增加Zn2+沉積活性位點，從而抑制鋅枝晶生長，與具有納米線陣列結(jié)構(gòu)的Co3O4陰極組成Zn//Co3O4可充電電池，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性、高能量密度、好的柔韌性和出色的防水性能。該工作為設(shè)計制備高性能的柔性可穿戴電子儲能設(shè)備提供了一種新的策略。
Qun Guan, Yongpeng Li, Xuanxuan Bi, Jie Yang, Jingwen Zhou, Xuelian Li, Jianli Cheng, Zhuanpei Wang, Bin Wang, Jun Lu. Dendrite-Free Flexible Fiber-Shaped Zn Battery with Long Cycle Life in Water and Air. Advanced Energy Materials, 2019
DOI: 10.1002/aenm.201901434
https://doi.org/10.1002/aenm.201901434
4. Small: 二維碳納米墻包埋金屬銻實現(xiàn)鈉離子電池超高倍率性能
鈉離子半徑大，在脫嵌Na+過程中會出現(xiàn)劇烈的體積膨脹，導(dǎo)致迅速的容量衰減和倍率性能較低，極大限制了鈉離子電池的大規(guī)模實際應(yīng)用，因此為了適應(yīng)鈉離子電池，正極材料、負(fù)極材料和電解液等都要做相應(yīng)的改變。
華南理工大學(xué)的嚴(yán)玉蓉教授和吳松平副教授課題組合作通過冷凍干燥法與犧牲模板法制備了一種包埋在開放碳二維納米墻中的中空銻納米顆粒（Sb HPs@OCB），中空銻納米顆粒可以為反應(yīng)提供豐富的反應(yīng)位點，而二維碳納米墻結(jié)構(gòu)可以緩沖體積膨脹的應(yīng)力，縮短離子電子擴(kuò)散路徑，兩者的協(xié)同效應(yīng)使Sb HPs@OCB材料具有優(yōu)異的倍率性能，在電流密度為16 A/g和50℃條件下，表現(xiàn)出345 mAh/g的超高倍率性能，循環(huán)穩(wěn)定性也十分出色，在10 A/g的大電流密度下，300圈循環(huán)后依有187 mAh/g的容量。該工作為提高鈉離子電池的倍率性能提供了一種新的策略。
Anding Xu, Qi Xia, Shenkui Zhang, Huanhuan Duan, Yurong Yan*, Songping Wu*. Ultrahigh Rate Performance of Hollow Antimony Nanoparticles Impregnated in Open Carbon Boxes for Sodium‐Ion Battery under Elevated Temperature.
DOI: 10.1002/smll.201903521
https://doi.org/10.1002/smll.201903521
5. AM: 摻雜劑聚集改善鈉離子電池層狀正極高壓循環(huán)穩(wěn)定性
摻雜作為一種廣泛應(yīng)用的材料體相改性方法，可以有效地改善可充電電池各種正極材料的電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這通常需要摻雜劑在材料體相中均勻分布。在本文中，北京工業(yè)大學(xué)的Pengfei Yan 和Manling Sui以及湖南大學(xué)的Huiqiu Deng等卻發(fā)現(xiàn)摻雜劑的聚集有效地提高了Mg摻雜的P2型層狀正極（Na0.67Ni0.33Mn0.67O2）的循環(huán)穩(wěn)定性。他們通過實驗表征和理論計算發(fā)現(xiàn)，在高壓循環(huán)過程中，隨機(jī)分布的Mg摻雜劑傾向于向Na層中聚集導(dǎo)致高密度摻雜聚集體的形成。
有趣的是，這種富含Mg的摻雜聚集體能夠作為三維網(wǎng)絡(luò)支柱進(jìn)一步提高材料的機(jī)械強(qiáng)度并抑制顆粒開裂，從而有利于循環(huán)穩(wěn)定性的改善。該工作不僅加深了對摻雜演變的認(rèn)識，而且為提高層狀正極材料的高壓循環(huán)性提供了一種新的概念方法。
Kuan Wang, Pengfei Yan, Huiqiu Deng, Manling Sui et al, Dopant Segregation Boosting High‐Voltage Cyclability of Layered Cathode for Sodium Ion Batteries, Advanced Materials,2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904816?af=R
6. JMCA: 多孔炭負(fù)載非晶SnO2亞納米簇作為高性能鈉離子電容器負(fù)極材料
鈉離子電容器集高能量密度、高功率輸出以及長循環(huán)壽命等優(yōu)點于一身，是可持續(xù)發(fā)展新型儲能系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。傳統(tǒng)的硬炭材料常被用作電池型負(fù)極，然而其緩慢的動力學(xué)行為導(dǎo)致了低倍率和循環(huán)性能，極大限制了鈉離子電容器的實際應(yīng)用。
鑒于此，北京化工大學(xué)王峰教授課題組和中山大學(xué)盧俠教授課題組合作，以富含N/O雜原子的牛骨粉為炭源，經(jīng)炭化和KOH活化合成了多孔炭材料PCNS，再經(jīng)液相浸漬和熱處理制備了多孔炭負(fù)載非晶SnO2亞納米簇負(fù)極材料（A-SnO2@PCNS），由于PCNS表面含有豐富的基團(tuán)和發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，微孔的限域效應(yīng)和化學(xué)基團(tuán)的化學(xué)鍵合作用使負(fù)載的非晶SnO2亞納米簇具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，作為鈉離子電容器負(fù)極材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。該工作為設(shè)計合成高倍率性能和循環(huán)性能的鈉離子電容器負(fù)極材料提供了一種新的策略。
Jin Niu, Jingjing Liang, Ang Gao, Meiling Dou, Zhengping Zhang, Xia Lu*, Feng Wang*. Micropore-confined amorphous SnO2 subnanoclusters as robust anode materials for Na-ion capacitors. Journal of Materials Chemistry A, 2019.
DOI: 10.1039/C9TA06964J
http://doi.org/10.1039/C9TA06964J
7. Small: 硫摻雜石墨烯負(fù)載中空SnS2/Co3S4納米立方體用作高容量鈉離子電池負(fù)極材料
鈉離子電池相比于鋰離子電池，成本較低，但能量密度不足。鑒于此，北京化工大學(xué)的趙東林團(tuán)隊通過共沉淀法和一步溶劑熱法設(shè)計制備了具有中空結(jié)構(gòu)的SnS2/Co3S4-rGO納米復(fù)合材料，SnS2/Co3S4異質(zhì)結(jié)構(gòu)中p-n結(jié)和硫摻雜的石墨烯賦予了材料高的電導(dǎo)率，而且納米復(fù)合材料中的納米片層間的介孔結(jié)構(gòu)不僅促進(jìn)了Na+的遷移和電解液的浸潤，還有利于緩解體積膨脹效應(yīng)，用作鈉離子電池的負(fù)極材料時，在0.1 A/g的電流密度下，首次放電比容量高達(dá)2212.6 mAh/g，循環(huán)50次后，仍能維持1141.8 mAh/g的比容量，此外倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性也表現(xiàn)優(yōu)異。該工作為設(shè)計制備高容量的鈉離子電池負(fù)極材料提供了一種新的策略。
Ya-Qian Wu, Hui-Xian Yang, Yu Yang, Hao Pu, Wen-Jie Meng, Rui-Ze Gao, Dong-Lin Zhao*. SnS2/Co3S4 Hollow Nanocubes Anchored on S-Doped Graphene for Ultrafast and Stable Na-Ion Storage. Small, 2019.
DOI: 10.1002/smll.201903873
https://doi.org/10.1002/smll.201903873
8. Small: 基于多孔交聯(lián)納米孔道的氮摻雜炭納米纖維用于高性能鈉離子電池負(fù)極
雖然石墨材料已被應(yīng)用于鋰離子電池的商業(yè)陽極，但由于鈉離子直徑較大，石墨材料作為陰極會限制鈉離子的嵌入/嵌出。近日，南昌航空大學(xué)的次素琴和中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的溫珍海課題組合作，以碲納米線為模板，通過靜電紡絲方法，用交錯的納米通道來制造氮摻雜的碳納米纖維（NCNFs‐IWNC），這些納米通道包含了相互連接的一維孔道，這些孔道是通過在靜電紡絲過程中去除在碳納米纖維內(nèi)共電紡絲的Te納米線模板而產(chǎn)生的。
NCNFs‐IWNC具有良好的特性，包括導(dǎo)電的一維互連多孔結(jié)構(gòu)、大的比表面積、擴(kuò)展的層間石墨般的間距、豐富的N摻雜缺陷和活性位點，有利于電解質(zhì)和電子/鈉離子的快速獲取和傳輸，NCNFs‐IWNC表現(xiàn)出優(yōu)異的高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。該工作為設(shè)計制備高性能的鈉離子電池陰極材料提供了一種新的思路。
Wenxiang Zhao, Xiang Hu, Suqin Ci, Junxiang Chen, Genxiang Wang, Qiuhua Xu, Zhenhai Wen. N-Doped Carbon Nanofibers with Interweaved Nanochannels for High-Performance Sodium-Ion Storage. Small, 2019.
DOI: 10.1002/smll.201904054
https://doi.org/10.1002/smll.201904054
9. AM: 空腔與殼層可調(diào)控的異質(zhì)TiO2微球提升振實密度與贗電容鈉離子存儲
具有獨特納米結(jié)構(gòu)的插入型陽極材料在電化學(xué)金屬離子存儲方面具有廣闊的應(yīng)用前景。近日，西北工業(yè)大學(xué)的黃維院士、南洋理工大學(xué)的于霆教授、南洋理工大學(xué)和香港城市大學(xué)的張華教授團(tuán)隊合作設(shè)計制備了具有可調(diào)內(nèi)部和外殼的異質(zhì)結(jié)構(gòu)TiO2納米球，從而增強(qiáng)了贗電容響應(yīng)，并表現(xiàn)出良好的Na+存儲動力學(xué)和性能。
此外，在外部殼層中設(shè)計合理的納米片也可以減少分層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的多余空間，從而提高TiO2碎片的堆積密度，利用密度泛函理論對TiO2晶體中鈉離子的插入和擴(kuò)散進(jìn)行了詳細(xì)的計算，進(jìn)一步證明了表面可控的贗電容性鈉離子存儲機(jī)制的重要性。本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略對制備高速率、高體積能密度的電極材料有一定的指導(dǎo)意義。
Xin Xu, Bo Chen, Junping Hu, Bowen Sun, Xiaohui Liang, Nan Li, Shengyuan A. Yang, Hua Zhang, Wei Huang, Ting Yu. Heterostructured TiO2 Spheres with Tunable Interiors and Shells toward Improved Packing Density and Pseudocapacitive Sodium Storage. Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201904589
https://doi.org/10.1002/adma.201904589
10. AFM: O/F雙摻雜多孔碳納米多面體負(fù)極提高鉀離子電池的倍率性能和循環(huán)性能
鉀離子電池具有成本較低、能量密度高等優(yōu)勢,然而負(fù)極碳材料具有較低的脫嵌鉀電位，容易體積膨脹和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而形成枝晶造成安全隱患。因此開發(fā)綠色環(huán)保，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，高容量、高倍率和長壽命的新型鉀離子電池仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳乾旺教授團(tuán)隊首先通過溶劑熱法和炭化裂解制備了ZrO2/C復(fù)合材料，然后通過高頻刻蝕和二次熱處理得到O/F雙摻雜多孔碳納米多面體（OFPCN），其具有高強(qiáng)度的MOF基炭骨架結(jié)構(gòu)和發(fā)達(dá)的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，作為鉀離子電池負(fù)極材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，在0.05A/g時具有481mAh/g的高可逆容量，在10A/g的高電流密度下循環(huán)5000周后具有111mAh/g的超長循環(huán)穩(wěn)定性，展示出巨大的應(yīng)用潛力。
Jian Lu, Changlai Wang, Haolei Yu, Shipeng Gong, Guoliang Xia, Peng Jiang, Pengping Xu, Kang Yang, Qianwang Chen*. Oxygen/Fluorine Dual-Doped Porous Carbon Nanopolyhedra Enabled Ultrafast and Highly Stable Potassium Storage. Advanced Functional Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adfm.201906126
https://doi.org/10.1002/adfm.201906126
11. ACS Nano: 冷凍條件下生物誘導(dǎo)礦化制備多孔碳材料用于高性能儲鉀
多孔碳材料是一種非常具有潛力的電極材料，而生物礦化是設(shè)計和制備納米材料的有效方法。鑒于此，中國海洋大學(xué)的柳偉教授課題組以碳酸氫鈉和甲基纖維素為前驅(qū)體，通過冷凍方法加快礦化過程，設(shè)計合成了新型的有機(jī)-無機(jī)礦化前驅(qū)體，再經(jīng)過碳化和去除無機(jī)鹽，制備得到多孔碳材料，具有由空心碳泡相互連接而成的羽翼狀納米片結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的K+存儲性能。該工作為設(shè)計合成新型電極材料提供了一種新的策略。
Yongpeng Cui, Wei Liu, Xia Wang, Jiajia Li, Yuan Zhang, Yongxu Du, Shuang Liu, Huanlei Wang, Wenting Feng, Ming Chen. Bioinspired Mineralization under Freezing Conditions: An Approach to Fabricate Porous Carbons with Complicated Architecture and Superior K+ Storage Performance. ACS Nano, 2019.
DOI: 10.1021/acsnano.9b05284
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05284
12. ACS Nano:缺陷調(diào)控策略提高M(jìn)oSSe材料快速穩(wěn)定儲鉀
空位工程在控制電子結(jié)構(gòu)和活性位點方面具有獨特性質(zhì)，是提高過渡金屬雙鹵代烷（TMDs）儲能性能的一種很有前途的方法，然而，有效地大規(guī)模引入空位陰離子空位仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，澳大利亞伍倫貢大學(xué)的郭再萍和中南大學(xué)的王海燕合作通過簡單的合金化反應(yīng)，得到了原位引入負(fù)離子空位的MoS2(1-x)Se2x合金，通過調(diào)整化學(xué)成分可以優(yōu)化空位濃度。
實驗和密度泛函理論計算結(jié)果表明，MoS2(1-x)Se2x合金中的陰離子空位可以提高合金的電導(dǎo)率，誘導(dǎo)形成更多的活性位點，同時緩解合金在鉀離子存儲過程中的結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)作為鉀離子電池陽極時，最優(yōu)的富空位MoSSe合金在100和1000 mA/g時的可逆容量分別為517.4和362.4 mAh/g,此外，經(jīng)過1000次循環(huán)，220.5 mAh/g的可逆容量可以維持在2000 mA/g。本工作為改善TMDs的電子和缺陷特性提供了一種實用的方法，為構(gòu)建電池系統(tǒng)的先進(jìn)電極材料提供了一種有效的策略。
Hanna He, Dan Huang, Qingmeng Gan, Junnan Hao, Sailin Liu, Zhibin Wu, Wei Kong Pang, Bernt Johannessen, Yougen Tang, Jing-Li Luo, Haiyan Wang, Zaiping Guo. Anion Vacancies Regulating Endows MoSSe with Fast and Stable Potassium Ion Storage. ACS Nano, 2019.
DOI: 10.1021/acsnano.9b05865
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05865
13. AEM: 利用二氧化硅限制硫化鎳中硫的“散發(fā)”用于高性能鋰離子電池
硫化鎳以其高的理論容量被認(rèn)為是一種很有前途的新型鋰離子電池負(fù)極材料。但是，在運行的過程中，由于容量的重大變化而導(dǎo)致的容量衰減大大限制了它們的實際應(yīng)用。近日，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授以及阿貢國家實驗室Dr. Jun Lu 等人通過一種分步構(gòu)建的方法，通過模板輔助涂層，熱處理和刻蝕工藝合成了NiSx@C 卵黃（yolk-shell）結(jié)構(gòu)。值得一提的是， SiO2在煅燒中產(chǎn)生致密層限制硫的“散發(fā)”，并且NiSx@C yolk-shell結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電化學(xué)反應(yīng)化境，以緩沖鋰化和脫鋰過程中NiSx yolk的嚴(yán)重體積膨脹，還有助于形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）層。
具有yolk-shell 結(jié)構(gòu)的NiSx@C在鋰離子電池中顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（在1A g-1的電流密度下充放電2000次容量還能達(dá)到460 mAh g-1）以及優(yōu)越的倍率性能（在20 A g-1下容量達(dá)到225 mAh g-1）。
Qidong Li, Liqiang Mai*, Jun Lu*, et al. Silica Restricting the Sulfur Volatilization of Nickel Sulfide for High‐Performance Lithium‐Ion Batteries
DOI: 10.1002/aenm.201901153
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201901153
14. Small Methods綜述: 金屬硫族化合物在高性能鈉（鉀）離子電池中的應(yīng)用研究進(jìn)展
鈉/鉀離子電池可能會從根本上改變電的儲存和使用方式，但目前它們的性能需要進(jìn)一步的提高，作為電池技術(shù)的關(guān)鍵部分，電極材料的進(jìn)步有助于加速推動這些可再生和創(chuàng)新的存儲技術(shù)的應(yīng)用。
近日，廣東工業(yè)大學(xué)的黃少銘、芮先宏教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的余彥教授課題組合作綜述了金屬硫族化合物電極材料在高性能鈉（鉀）離子電池中應(yīng)用的最新進(jìn)展，著重介紹了納米金屬硫化物和硒化物和金屬硫?qū)倩衔锏牡脑O(shè)計構(gòu)筑、結(jié)構(gòu)特征和電化學(xué)特性，并討論了其構(gòu)效關(guān)系和儲鈉（鉀）機(jī)理，此外，還著重介紹了一些非常具有前景的制備策略，并對該領(lǐng)域未來可能的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
Huiteng Tan, Yuezhan Feng, Xianhong Rui, Yan Yu, Shaoming Huang. Metal Chalcogenides: Paving the Way for High‐Performance Sodium/Potassium‐Ion Batteries. Small Methods, 2019.
DOI: 10.1002/smtd.201900563
https://doi.org/10.1002/smtd.201900563
15. Angew: 無缺陷石墨烯和環(huán)氧化學(xué)鏈助力Si負(fù)極穩(wěn)定循環(huán)
鋰離子電池與傳統(tǒng)的二次電池相比，具有高能量、高工作電壓、高安全性、環(huán)境污染小等優(yōu)點。其中，負(fù)極材料作為鋰離子電池儲鋰的主體，在充放電過程中能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子的嵌入和脫出，是提高鋰離子電池總比容量、循環(huán)性能、充放電等性能的關(guān)鍵。在負(fù)極材料中，碳基負(fù)極材料一直以來都占據(jù)著主要地位，然而碳基負(fù)極材料難以在循環(huán)過程中保持穩(wěn)定，極大限制了鋰離子電池的發(fā)展。
四川大學(xué)的Wei Liu副教授和美國德州大學(xué)的David Mitlin教授合作設(shè)計了一種新的納米硅-石墨烯雜化方法，該方法可以形成獨特穩(wěn)定的固體電解質(zhì)間相，通過將膨脹的石墨輕輕剝離，形成“無缺陷”石墨烯，同時引入高質(zhì)量負(fù)載(48 wt. %)的Si納米顆粒，硅烷表面處理產(chǎn)生環(huán)氧化學(xué)鏈，通過環(huán)氧開環(huán)反應(yīng)將納米硅與CMC粘結(jié)劑機(jī)械結(jié)合，提高極片的應(yīng)變耐受能力及電極界面的穩(wěn)定性，作為負(fù)極材料顯著提高了負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。該工作發(fā)現(xiàn)的硅表面的化學(xué)-機(jī)械穩(wěn)定和SEI相關(guān)失效之間的協(xié)同作用為設(shè)計高循環(huán)穩(wěn)定性的電極材料提供了一種新的思路。
Wei Liu, Hongju Li, Jialun Jin, Yizhe Wang, Zheng Zhang, Zidong Chen, Qin Wang, Yungui Chen, Eunsu Paek, David Mitlin. Synergy of Epoxy Chemical Tethers and Defect‐Free Graphene in Enabling Stable Lithium Cycling of Silicon Nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition, 2019
DOI: 10.1002/anie.201906612
https://doi.org/10.1002/anie.201906612
16. AEM: 蜂窩狀介孔碳納米片用于鋰硫電池實現(xiàn)限域和高效轉(zhuǎn)換多硫化物
鋰硫電池因其具有極高的理論比容量和功率密度而受到越來越多的關(guān)注。然而，鋰電池的實際應(yīng)用仍然受到性能相對較低的限制，這是由于硫本身和放電產(chǎn)物(Li2S/Li2S2)的導(dǎo)電性較差，以及中間多硫化物的穿梭效應(yīng)導(dǎo)致的。
鑒于此，北京化工大學(xué)的邵明飛教授課題組設(shè)計開發(fā)出了一種具有高比表面積和豐富缺陷的蜂窩狀介孔碳納米片(MC‐NS)，同時實現(xiàn)了多硫化物約束和高效轉(zhuǎn)換，密度泛函理論計算和實驗表明，Co-N-C催化位點以及蜂窩狀介孔碳納米片MC-NS碳骨架上的缺陷有助于高效抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)，原位拉曼光譜進(jìn)一步證明了該載體可以對多硫化物起到很好的限域和高效轉(zhuǎn)化的作用，因此，MC-NS大大提高了鋰電池的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。這項工作有助于推動高性能鋰電池的實際應(yīng)用。
Jianbo Li, Chunyuan Chen, Yuwei Chen, Zhenhua Li, Wenfu Xie, Xin Zhang, Mingfei Shao, Min Wei. Polysulfide Confinement and Highly Efficient Conversion on Hierarchical Mesoporous Carbon Nanosheets for Li–S Batteries. Advanced Energy Materials, 2019.
DOI: 10.1002/aenm.201901935
https://doi.org/10.1002/aenm.201901935
17. Joule觀點: 回收報廢的電動汽車鋰離子電池
鋰離子電池使用量的快速增長將會引入大量的廢舊鋰離子電池，處理廢舊鋰離子電池的步驟包括重新制造、重新定型和回收。再制造和再利用能夠延長電池的使用壽命，而回收利用則通過將材料返回到價值鏈上來形成閉合回路。火法冶金，濕法冶金和直接回收是廢鋰離子電池的三個回收過程，這三個循環(huán)過程的學(xué)術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)示范不斷涌現(xiàn)。
伍斯特工業(yè)學(xué)院Yan Wang等人總結(jié)了研究和工業(yè)上在火法冶金，濕法冶金和直接回收方面的最新進(jìn)展，指出目前的回收技術(shù)都不是完美的，確實存在極大的挑戰(zhàn)，并提供了見解和建議，以改善鋰離子電池回收利用的方向，使其變得清晰。以期望在學(xué)術(shù)界，工業(yè)界和政府的共同努力下，從生態(tài)和經(jīng)濟(jì)角度，使回收發(fā)揮更重要的作用。
Mengyuan Chen, Xiaotu Ma, Bin Chen, Renata Arsenault, Peter Karlson, Nakia Simon, Yan Wang, Recycling End-of-Life Electric Vehicle Lithium-Ion Batteries, Joule, 2019.
DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.014
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S254243511930474X
三：鋰金屬
1. Nature Nanotechnology: 應(yīng)力條件下鋰晶須的形成與生長
鋰金屬具有最低的氧化還原電勢和很高的理論比容量，這使得其成為新一代二次電池負(fù)極材料的最佳選擇。然而，鋰負(fù)極在電池中的實際應(yīng)用受到了晶須生長的阻礙。這種晶須生長會消耗電解液、消耗活性金屬鋰，甚至?xí)斐呻姵囟搪贰Ｒ晒Φ亟鉀Q這些問題，就必須充分了解Li晶須在隔膜的機(jī)械約束下的形成機(jī)理和生長規(guī)律。
在本文中，美國西北太平洋國家實驗室的Wu Xu和Chongmin Wang 等通過將原子力顯微鏡懸臂梁耦合到環(huán)境透射電子顯微鏡中的固體開孔單元中捕獲了Li晶須在彈性約束下的成核和生長行為。他們發(fā)現(xiàn)鋰沉積是由單晶鋰粒子的緩慢成核引起的，沒有優(yōu)先的生長方向。但是他們發(fā)現(xiàn)Li的緩慢的表面?zhèn)髻|(zhì)對隨后的沉積形貌起著決定性的作用。然后，作者使用一系列碳酸鹽摻雜的醚基電解質(zhì)來探索這些發(fā)現(xiàn)在實際電池中的有效性。最后，他們證明了Li晶須在一定的彈性約束下可以屈服、彎曲、扭結(jié)或停止生長。
Yang He, Wu Xu, Chongmin Wang et al, Origin of lithium whisker formation and growth under stress, Nature Nanotechnology,2019
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0558-z
2. Angew: 柔性汞合金薄膜穩(wěn)定高容量鋰金屬負(fù)極
枝晶生長是鋰金屬負(fù)極實用化所面臨的最關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在本文中，天津理工大學(xué)的Yi Ding 等通過在金屬鋰負(fù)極表面組裝一層鋰汞合金薄膜解決了這個問題。在金屬鋰長期沉積與剝離過程中，這層柔性的合金薄膜能夠緩沖巨大的體積變化。采用合金薄膜保護(hù)后的金屬鋰組裝的對稱電池在8 mA/cm2的電流密度和8 mAh/cm2的容量下能夠維持長達(dá)720 h的循環(huán)壽命。
當(dāng)與高載量的LFP正極或NCM622正極匹配為全電池時，受保護(hù)的雜化負(fù)極也能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，這證明該方法具有實用化的潛力。作者通過界面分析手段揭示了汞合金層獨特的沉積-合金化協(xié)同作用，保護(hù)層下方的金屬鋰在循環(huán)過程中參與電極反應(yīng)。這種鋰汞合金負(fù)極豐富了鋰金屬負(fù)極的大家庭并為合理設(shè)計無枝晶負(fù)極提供了新的方案。
Guang He, Yi Ding et al, Flexible Amalgam Film Enables Stable Lithium Metal Anodes with
High Capacities, Angew. Chemie. Int. Edition , 2019
DOI: 10.1002/anie.201911800
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201911800?af=R
3. ESM: 多功能共價有機(jī)框架助力高容量無枝晶鋰金屬電池
金屬鋰憑借其最高理論比容量和最低氧化還原電勢而被視為新一代二次電池中最具前景的負(fù)極材料。然而，有限的鋰?yán)寐屎蛧?yán)重的枝晶生長限制了鋰金屬電池的實際應(yīng)用。在本文中，電子科技大學(xué)Tao Li和西南大學(xué)的Yijin Kang團(tuán)隊將共價有機(jī)框架COF-LZU1引入到金屬鋰負(fù)極與隔膜之間作為保護(hù)層。
由于TFSI-陰離子與COF-LZU1內(nèi)部的醛基之間存在著強(qiáng)相互作用，陰離子被固定在其內(nèi)部孔道中，從而消除了空間電荷效應(yīng)并抑制了枝晶生長。此外，這種COF-LZU1具有較好的親鋰特性和電解液浸潤性從而使鋰離子流均勻分布并確保了較低的電壓極化。采用這種保護(hù)層的無枝晶負(fù)極能夠在Li-Cu電池中實現(xiàn)99%的鋰?yán)寐剩贚i-Li對稱電池中也能夠?qū)崿F(xiàn)超過2000小時的循環(huán)壽命。
Ying Xu, Yijin Kang et al, Multifunctional Covalent Organic Frameworks for High Capacity and Dendrite-free Lithium Metal Batteries, Energy Storage Materials,2019
DOI: 10.1016/j.ensm.2019.10.005
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719310013?dgcid=rss_sd_all#!
4. AEM: 協(xié)同控制成核和SEI提高鋰金屬陽極的穩(wěn)定性
在金屬鋰陽極上使用保護(hù)涂層是提高其庫侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性的有效途徑。近日，西北太平洋國家實驗室的張繼光和許武與中科院寧波材料所的王德宇研究員團(tuán)隊合作報道了一種制備高性能鋰金屬電池(LMBs)用均勻納米銀涂層LMA的簡便方法，這種有效的處理可以很好地控制成核和形成穩(wěn)定的SEI。銀納米顆粒嵌入鋰陽極表面，誘導(dǎo)均勻的鋰沉積/剝離，降低過電位。
更重要的是，在Ag+還原過程中形成的富氟化鋰交聯(lián)相使SEI層高度穩(wěn)定。基于Ag-LiF修飾的陽極，采用LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2陰極(≈1.8 mAh/cm2)的LMBs可在500次循環(huán)后保持>80%的容量。類似的方法也可用于鈉金屬陽極的處理，在碳酸酯電解液中，使用鈉-銀-氟化鈉/鈉陽極后，獲得了極佳的穩(wěn)定性(10000次循環(huán)后仍具有80%的容量保留率)。這些結(jié)果表明協(xié)同控制成核和SEI是穩(wěn)定可充電金屬電池的有效途徑。
Zhe Peng, Junhua Song, Liyuan Huai, Haiping Jia, Biwei Xiao, Lianfeng Zou, Guomin Zhu, Abraham Martinez, Swadipta Roy, Vijayakumar Murugesan, Hongkyung Lee, Xiaodi Ren, Qiuyan Li, Bin Liu, Xiaolin Li, Deyu Wang, Wu Xu, Ji‐Guang Zhang. Enhanced Stability of Li Metal Anodes by Synergetic Control of Nucleation and the Solid Electrolyte Interphase. Advanced Energy Materials, 2019.
DOI: 10.1002/aenm.201901764
https://doi.org/10.1002/aenm.201901764
5. Nano Energy：碳纖維紙上鍍銀改進(jìn)鋰的沉積
鋰金屬是一種很有潛力的負(fù)極材料，具有較低的氧化還原電位和較高的理論比容量，但枝晶生長、界面不穩(wěn)定、庫侖效率低等問題阻礙了其實際應(yīng)用，建立多孔電流集電器是解決這些問題和提高金屬鋰電池循環(huán)性能的有效途徑。
近日，中國科學(xué)院物理研究所的王兆翔教授團(tuán)隊設(shè)計制備了一種鍍銀碳纖維紙（CP@Ag）作為多孔電流集電器用于鋰的沉積和溶解，親鋰銀粒子與鋰合金，引導(dǎo)后續(xù)在碳纖維上鍍鋰，有效降低成核過電位。即使在電流密度為0.5mA/cm2，鋰的成核過電位仍然可以低至～21?mV，碳纖維上的銀粒子保證了鋰離子鍍/剝離的穩(wěn)定電化學(xué)循環(huán)。該工作證明了用鍍銀碳纖維紙作為鋰陽極的多孔集流器，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，該設(shè)計思想對鋰金屬陽極的發(fā)展具有重要意義。
Xiaoyun Li, Gaojing Yang, Simeng Zhang, Zhaoxiang Wang, Liquan Chen. Improved lithium deposition on silver plated carbon fiber paper. Nano Energy, 2019.
DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104144
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104144
6. AEM: 實際鋰金屬陽極的電鍍/剝離行為
自1990年代商業(yè)化以來，鋰離子電池（LIB）極大地改變了我們在運輸和通信中的日常生活。通過材料和電化學(xué)科學(xué)領(lǐng)域近三十年的創(chuàng)新，LIB的能量密度已從100 Wh kg-1大大提高到240 Wh kg-1。然而，當(dāng)LIB接近插層化學(xué)的理論極限時，其容量和能量密度將達(dá)到上限，并需要具有新興電化學(xué)的先進(jìn)電極材料來進(jìn)一步提高高能量密度。其中，鋰金屬陽極有3860 mAh g-1的超高容量，相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的負(fù)電壓為-3.040 V，具有實現(xiàn)具有高能量密度的可充電鋰電池的巨大潛力。然而，當(dāng)與工作電池中的不同陰極匹配時，具有高反應(yīng)性和枝晶生長的鋰金屬陽極的不可逆的鍍覆和剝離行為尚不完全清楚。
清華大學(xué)的張強(qiáng)教授和他的團(tuán)隊通過在3.0 mA cm-2和3.0 mAh cm-2處進(jìn)行不同的Li鍍覆和剝離序列來探究非常薄的Li金屬陽極（50μm，10 mAh cm-2）的工作方式。當(dāng)匹配LiFePO4和FePO4陰極時，P-Li | LiFePO4電池由于鋰電鍍和剝離的順序不同，因此具有30個周期的更長使用壽命和更小的末端極化。這一成果為揭示鋰金屬陽極的實際工作原理做出了貢獻(xiàn)。
Li, T., Shi, P., Zhang, R., Liu, H., Cheng, X., & Zhang, Q. (2019). Dendrite-free sandwiched ultrathin lithium metal anode with even lithium plating and stripping behavior. Nano Research, 12(9), 2224-2229. doi: 10.1007/s12274-019-2368-x
DOI: 10.1002/aenm.201902254
7. Nature Catalysis：通過可逆Li2O/Li2O2相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)高能量密度和長壽命的Li-O2電池
Li-O2電池因其具有較高的理論能量密度而受到廣泛關(guān)注，然而，氣體O2和固體產(chǎn)物之間的緩慢的動力學(xué)障礙也將不可避免地導(dǎo)致較大的循環(huán)過電位，此外，氣體凈化器（從空氣中去除CO2和水分）或攜帶笨重的O2儲氣瓶也給實際應(yīng)用帶來了額外的負(fù)擔(dān)。近日，南京大學(xué)的周豪慎教授團(tuán)隊通過預(yù)先將氧化亞氮納米顆粒嵌入到銥-石墨烯催化載體中，將無O2的可逆Li2O/Li2O2相互轉(zhuǎn)換限制在密封的電池環(huán)境中。
在合理控制充電程度后，無O2/superoxo充電容量可以擴(kuò)展到400 mAh g-1(基于整個陰極負(fù)載量)，且只有0.12 V的往返過電位，可實現(xiàn)2000次以上的超穩(wěn)定的充電，庫侖效率達(dá)到99.5%。此外，與硅陽極匹配，全電池輸出能量密度可達(dá)到近600wh kg-1(基于兩個電極的負(fù)載質(zhì)量)。該工作有利于促進(jìn)可逆氧化-過氧化物轉(zhuǎn)化技術(shù)用于高能量密度密封電池技術(shù)的開發(fā)。
Yu Qiao, Kezhu Jiang, Han Deng, Haoshen Zhou. A high-energy-density and long-life lithium-ion battery via reversible oxide–peroxide conversion. Nature Catalysis, 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0362-z
https://doi.org/10.1038/s41929-019-0362-z
四：電容器
1. JACS：離子液體中單層石墨烯的電荷存儲機(jī)理
石墨烯基碳材料是雙電層（EDL）電容器的有前途的候選者，并且對理解石墨烯/電解質(zhì)界面的結(jié)構(gòu)和性能有極大幫助。近日，中科大Yanwu Zhu，保羅·薩巴蒂耶大學(xué)Patrice Simon等采用電化學(xué)阻抗譜（EIS）和電化學(xué)石英晶體微量天平（EQCM）表征純離子液體（EMI-TFSI）電解質(zhì)中的離子通量和在單層石墨烯上的吸附。作者發(fā)現(xiàn)在正極化和負(fù)極化期間，分別由帶正電的離子物種解吸和離子重新組織控制著雙層電荷，導(dǎo)致隨著施加電勢增加，EDL電容增加。
Jianglin Ye, Yih-Chyng Wu, Yanwu Zhu,* Patrice Simon*, et al. Charge Storage Mechanisms of Single Layer Graphene in Ionic Liquid. J. Am. Chem. Soc., 2019
DOI: 10.1021/jacs.9b07134
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b07134
2. Nano Energy: 電化學(xué)活性材料中納米尺度雙離子局部動力學(xué)
電化學(xué)轉(zhuǎn)化通常是在宏觀尺度上進(jìn)行研究，而在納米尺度上研究局部電化學(xué)，尤其是涉及多個離子的局部電化學(xué)是一個非常具有挑戰(zhàn)性的課題。近日，中國科學(xué)院先進(jìn)院的的李江宇研究員、湘潭大學(xué)的劉運牙教授和謝淑紅教授團(tuán)隊合作通過一系列的原子力顯微鏡實驗,證明了雙離子體系中存在Vegard電化學(xué)應(yīng)變（Vegard strain）和電化學(xué)偶極矩（electrochemical dipoles）相互競爭的微觀機(jī)制，定量測量了微觀鈉離子擴(kuò)散系數(shù)和活化能。
以鈉鈣浮法玻璃為模型系統(tǒng)，觀察到鈉離子擴(kuò)散引起的快速弛豫和鈉離子與非橋聯(lián)氧之間形成的電化學(xué)偶極子引起的緩慢弛豫。模該研究為解決雙離子的局部動力學(xué)問題提供了有力的工具，可應(yīng)用于各種復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換和存儲系統(tǒng)的研究。
Junxi Yu, Boyuan Huang, Aolin Li, Shanshan Duan, Hongyun Jin, Ming Ma, Yun Ou, Shuhong Xie, Yunya Liu, Jiangyu Li. Resolving local dynamics of dual ions at the nanoscale in electrochemically active materials. Nano Energy, 2019.
DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104160
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104160
3. AM: 金屬離子誘導(dǎo)Ti3C2Tx二維MXene快速凝膠化
凝膠化是實現(xiàn)納米材料自組裝成不同宏觀結(jié)構(gòu)的有效途徑，在典型應(yīng)用中，氧化石墨烯(GO)凝膠化可合成多種具有不同應(yīng)用的石墨烯基碳材料。然而，另一種與氧化石墨烯表面化學(xué)性質(zhì)不同的重要2D材料MXenes的凝膠化很難實現(xiàn)。
鑒于此，天津大學(xué)的楊全紅教授、清華大學(xué)的呂偉副研究員課題組合作利用Fe2+離子促進(jìn)二維MXenes材料Ti3C2Tx分散液快速凝膠化，這是因為Fe2+與MXene表面上的-OH羥基團(tuán)之間具有強(qiáng)相互作用，可以破壞MXene二維納米片之間的靜電排斥力，作為交聯(lián)劑將MXene二維納米片連接在一起，制備得到與氧化石墨烯凝膠類似的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的MXene水凝膠，從而提高其表面利用率，用作超級電容器電極時表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。該工作對于其他二維納米材料制備成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠具有重要的借鑒意義。
Yaqian Deng, Tongxin Shang, Zhitan Wu, Ying Tao, Chong Luo, Jiachen Liang, Daliang Han, Ruiyang Lyu, Changsheng Qi, Wei Lv*, Feiyu Kang, Quan-Hong Yang*. Fast Gelation of Ti3C2Tx MXene Initiated by Metal Ions. Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201902432
https://doi.org/10.1002/adma.201902432
五：電解質(zhì)、隔膜
1. Nature Energy: 非極性溶劑氟化物電解質(zhì)助力全溫度區(qū)間電池
碳酸酯電解質(zhì)在商品化非水鋰離子電池中得到了廣泛應(yīng)用。然而，碳酸酯電解液中的溶劑和鋰離子的高親和性以及高可燃性將其應(yīng)用溫度區(qū)間限制在-20℃~50℃之間，其電化學(xué)穩(wěn)定窗口也只有0~4.3V。在本文中，美國馬里蘭大學(xué)的王春生教授團(tuán)隊通過將氟化物電解質(zhì)溶解在非極性的高度氟化的溶劑中成功地控制了電解液中的鋰離子與溶劑的親和性。
這種電解液除了不燃以外，還能夠在0~5.6V的寬電化學(xué)窗口內(nèi)穩(wěn)定工作，在-125℃~70℃的超寬溫度區(qū)間內(nèi)仍然具有高離子電導(dǎo)率。他們發(fā)現(xiàn)在-95℃~70℃的溫度區(qū)間內(nèi)，這種電解液能夠LiNi0.85Co0.10Al0.05O2正極的庫倫效率高達(dá)99.9%，Li負(fù)極和高壓LiCoMnO4正極的庫倫效率特分別高達(dá)99.4%和99%。即便在-85℃的超低溫環(huán)境下，Li// LiNi0.85Co0.10Al0.05O2電池也能夠?qū)崿F(xiàn)其室溫容量的50%。
Xiulin Fan, Chunsheng Wang et al, All-temperature batteries enabled by fluorinated electrolytes with non-polar solvents,Nature Energy,2019
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0474-3
2. Joule: 雙層超疏水膜助力高級復(fù)合電解質(zhì)Li-O2電池
盡管water-in-salt電解質(zhì)能夠促使Li-O2電池中發(fā)生清潔的氧化還原反應(yīng)，但是目前Li-O2電池的能量密度和能量效率仍然無法無鋰離子電池相媲美。而且，water-in-salt電解質(zhì)陰極穩(wěn)定性極限的尷尬位置也進(jìn)一步擠壓了實際電池的工作電壓區(qū)間。
在本文中，吉林大學(xué)的Jihong Yu與南京大學(xué)的周豪慎教授團(tuán)隊通過將混合電解質(zhì)涉及到雙室電池結(jié)構(gòu)中有效地突破了這種“輸出電壓極限”。在這種新型的雙室電池結(jié)構(gòu)中， water-in-salt正極電解液和負(fù)極的離子液體電解液被一種柔性的雙層超疏水聚合物膜隔開。此外，他們將容量提高和過電位抑制歸功于基于溶液反應(yīng)的Li2O2積累-水解機(jī)制。在3.6V充電截止電壓的控制下，這種Li-O2電池在循環(huán)250周時仍然具有較高的面積容量（2.5mAh/cm2）、顯著的能量效率（0.47V過電位）和長期可逆性（庫侖效率，99.5%），這使得Li-O2電池技術(shù)具有真正的競爭力。
Yu Qiao, Jihong Yu, Haoshen Zhou et al, Advanced Hybrid Electrolyte Li-O2 Battery Realized by Dual Superlyophobic Membrane, Joule,2019
DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.002
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30430-1#
3. Joule: 基于固態(tài)電解質(zhì)的高比能液態(tài)Li-S/Li-Se電池
Li-S和Li-Se電池由于具有較高的能量密度和低成本而被視為下一代高比能電池的有力競爭者。然而，由于直接使用固態(tài)鋰金屬負(fù)極和液態(tài)的有機(jī)電解液，現(xiàn)在的Li-S電池和Li-Se電池面臨著循環(huán)穩(wěn)定性不佳、庫倫效率較低等問題，這嚴(yán)重限制了其實際應(yīng)用。在本文中，斯坦福大學(xué)崔屹和清華大學(xué)Hui Wu等人報道了基于固態(tài)電解質(zhì)的液態(tài)Li-S和Li-Se電池。
這種電池使用LLZTO陶瓷管作為電解質(zhì)，而且其工作溫度高于金屬鋰的熔點。因此，多硫化物和多硒化物的溶解穿梭效應(yīng)得到了顯著抑制，而且能夠同時實現(xiàn)高能量密度、高穩(wěn)定性、高庫倫效率、高倍率以及高能量效率。這種電池為構(gòu)建高能、大功率、長壽命和低成本的儲能系統(tǒng)提供了更廣闊的平臺。
Yang Jin, Hui Wu, Yi Cui et al, High-Energy-Density Solid-Electrolyte-Based Liquid Li-S and Li-Se Batteries, Joule,2019
DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.003
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30431-3?rss=yes
4. AEM: 利用氮化硼納米片夾層設(shè)計實現(xiàn)制備高能量密度聚合物電介質(zhì)
聚合物，如聚偏二氟乙烯（PVDF），由于具有高介電系數(shù)和易于加工在高能量密度電容器領(lǐng)域引起了廣泛的矚目。但是，這些材料的放電能量密度受到其較差的擊穿強(qiáng)度和電阻率的限制。上海交通大學(xué)黃興溢教授團(tuán)隊與清華大學(xué)李琦教授團(tuán)隊合作，使用簡單的逐層溶液流延工藝制備了沿面內(nèi)方向排列的氮化硼納米夾層，進(jìn)而制備出了含氮化硼納米層的PVDF復(fù)合膜。
得益于復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)和材料組成，復(fù)合膜可以顯著抑制漏電流，從而實現(xiàn)高擊穿強(qiáng)度和優(yōu)異的能量密度。緊湊且連續(xù)的中間層可以大大減輕局部電場畸變并組織電樹的傳播。實驗結(jié)果顯示，相較于普通的PVDF膜，復(fù)合膜的擊穿強(qiáng)度和能量密度為原始膜的136%和275%。這一發(fā)明為制造高能量密度和高效率聚合物電介質(zhì)開辟了新的思路。
Zhu, Y., Zhu, Y., Huang, X., Chen, J., Li, Q., He, J., & Jiang, P. (2019). High Energy Density Polymer Dielectrics Interlayered by Assembled Boron Nitride Nanosheets. Advanced Energy Materials, 9(36), 1901826.
DOI: 10.1002/aenm.201901826
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.201901826
