目錄
一、堿離子電池
二、堿金屬電池
三、鋰/鈉-硫電池
四、電解質
五、金屬-氣電池
六、其他
一、堿離子電池
1. Science綜述: 儲能：納米材料推動的未來
鋰離子電池為便攜式電子產品，電動汽車和固定式存儲設備供電，已獲得2019年諾貝爾化學獎。納米材料的開發及其在電極和器件中的相關處理可以改善現有能量存儲系統的性能和/或開發。斯坦福大學的崔屹，德累斯頓工業大學的馮新亮，德雷塞爾大學(費城)Ekaterina Pomerantseva, Yury Gogotsi和意大利理工學院Francesco Bonaccorso等人提供了有關納米材料在儲能設備（例如超級電容器和電池）中的最新應用的觀點。
納米材料的多功能性可以為便攜式，柔性，可折疊和可分配電子設備提供電源。電力運輸；和網格規模的存儲，以及在生活環境和生物醫學系統中的集成。為了克服納米材料因高表面積而引起的高反應性和化學不穩定性的局限性，應將具有不同功能的納米顆粒組合在納米和微米級的智能體系結構中。將納米材料集成到功能架構和設備中需要開發先進的制造方法。討論成功的策略并概述開發納米材料的路線圖，以支持未來的能量存儲應用，例如為分布式傳感器網絡以及柔性和可穿戴電子設備供電。
Energy storage: The future enabled by nanomaterials, Science, 2019
DOI: 10.1126/science.aan8285.
https://science.sciencemag.org/content/366/6468/eaan8285
2. Chem. Soc. Rev.: 可充水溶液金屬離子電池的電壓問題
在過去的幾十年間，人們發展出一系列可充水溶液金屬離子電池來提高電池安全性、環境友好型以及降低消費電子、電動汽車以及規模儲能領域的成本。然而，可充水溶液金屬離子電池與有機電池之間存在的能量密度差異制約了其實際應用。實際上，這些能量密度的差異來源于電池的工作電壓，因為水溶液電解質的電化學穩定窗口限制了電極材料的選擇。在這篇綜述中，香港城市大學的支春義教授重點介紹了多種水溶液可充水溶液金屬離子電池的電壓特征以及提高電池工作電壓的策略。
文章從影響水溶液金屬離子電池工作電壓的因素（也就是水溶液電解質的電化學穩定窗口）入手，緊接著結合電極材料介紹了幾種水溶液電池的中值電壓和電壓平臺特征。隨后，文章總結了幾種提升水溶液電池電壓的策略并重點介紹了幾個關鍵進展。最后，文章對該領域面臨的問題以及未來的發展方向進行了總結概括。
Zhuoxin Liu, Chunyi Zhi et al, Voltage issue of aqueous rechargeable metal-ion batteries, Chem. Soc. Rev., 2019
DOI: 10.1039/C9CS00131J
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/CS/C9CS00131J#!divAbstract
3. Nature Energy: 探討富鋰層狀硫化物材料的陰離子氧化還原瓶頸
陰離子氧化還原被認為是實現高比能鋰離子電池正極材料的新型解決方案。然而，陰離子氧化還原又帶來了諸如電壓衰減、極化增大以及動力學遲緩等問題。為了深入地理解上述問題，法國巴黎索邦大學的Jean-Marie Tarascon等從改變配體入手設計了新型的富鋰層狀材料Li1.33?–?2y/3Ti0.67?–?y/3FeyS2，其中當y=0.3時由于陽離子氧化還原（Fe2+/Fe3+）和陰離子氧化還原（S2-/Sn-）的共同作用使得該材料的可逆儲鋰容量高達245 mAh/g。
此外，該材料初始循環的不可逆性、長期循環過程中的電壓衰減、較低程度的電壓滯后以及反應動力學等均比其富鋰氧化物類似物要好得多。從氧配體轉換為硫配體盡管會對能量密度造成一定影響，但是卻緩解了陰離子氧化還原帶來的諸多問題。總的來說，這些硫化物提供了改善陰離子氧化還原電極整體性能的化學線索，可以最終指導我們利用其氧化還原產生的能量效益。
Sujoy Saha, Jean-Marie Tarascon et al, Exploring the bottlenecks of anionic redox in Li-rich layered sulfides, Nature Energy, 2019
https://www.nature.com/articles/s41560-019-0493-0
4. AEM: 利用低溫電子顯微鏡研究單層MoS2的原子尺度的電化學鋰化過程
盡管幾十年來，鋰離子電池以插層化合物為基礎的電極在便攜式儲能市場中占據主導地位，但這些材料的能量密度從根本上說是有限的。今天，對這類儲能裝置的需求迅速增長，促使人們對利用替代反應機制實現更高能量密度的材料進行研究。過渡金屬化合物是這類材料中的一類，儲存是通過“轉換”反應實現的，在這種反應中，材料在鋰化后被轉化為新化合物。MoS2是這類材料的一個例子，與石墨相比，它的理論鋰儲能能力很高，最近引起了人們極大的興趣。近日，康奈爾大學Héctor D. Abru?a和Lena F. Kourkoutis等人，通過低溫掃描透射電子顯微鏡技術揭示了，在反應過程中發生的原子尺度的過程模型單層MoS2系統，使未改變的原子結構可以被確定在不同的鋰化水平。
可以看出，即使沒有襯底，單層MOS2也可以經歷轉化反應，所得到的顆粒比在本體MOS2中形成的顆粒小，這可能是由于2D擴散的限制。另外，當雙層MoS2在轉化之前經歷與相應的相變的插入時，單層MOS2沒有。
Seung-Ho Yu,Lena F. Kourkoutis,* Héctor D. Abru?a*, et al. Atomic-Scale Visualization of Electrochemical Lithiation Processes in Monolayer MoS2 by Cryogenic Electron Microscopy. AEM, 2019.
DOI: 10.1002/aenm.201902773
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201902773
5. AEM: 廢軟木衍生的分級多孔碳的孔結構調控及其對儲鈉性能的影響
多孔結構設計通常被認為是提高鈉離子電池（NIBs）離子輸運能力和為無序碳負極提供活性位點的可靠策略。在本文中，中科院物理所的胡勇勝與Yaxiang Lu等通過調控廢軟木衍生的分級多孔碳的孔結構實現了高效儲鈉性能。這種硬碳材料得益于其前驅體的天然孔結構而具有一種新型的分層多孔構造。研究人員采用有效骨架密度試驗結合小角X射線散射分析（SAXS）得到了材料內部封閉的孔結構信息。
他們根據孔信息與分級多孔硬碳材料的電化學性能相關性得到了以下結論：提高熱解溫度以減少開孔（與初始容量損失有關）和增加閉孔（與平臺容量有關）可使半電池的比容量達到360 mAh/g并使得全電池的能量密度達到230 Wh /kg。同時，全電池在2C的倍率電流下循環2000次后容量保持率仍然達到71%。這種仿生高溫封孔策略和對孔結構與性能關系的新認識為具有特定孔徑和高鈉儲存能力的鈉離子電池多孔碳負極的設計提供了指導。
Yuqi Li, Yaxing Lu, Yongsheng Hu et al, Regulating Pore Structure of Hierarchical Porous Waste Cork‐Derived Hard Carbon Anode for Enhanced Na Storage Performance, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902852?af=R
6. AEM: 具有超高比表面積的新型蒽醌基共軛微孔聚合物用作鋰離子電池正極材料
通過傳統聚合手段得到的氧化還原活性共軛微孔聚合物通常是不規則的難溶性固體顆粒，這就給后續的電極制作過程帶來了麻煩。在本文中，西班牙IMDEA能源研究所的Rebeca Marcilla等通過連續的微乳液和溶劑熱方法制備了基于蒽醌（IEP-11）的共軛微孔聚合物，這種聚合物材料能夠在溶劑中分散為納米結構從而更有利于電極的制備。有趣的是，這種合成方法還會改變微孔聚合物的本征孔結構:IEP-11材料具有微孔和介孔雙層孔結構，其比表面積高達2200 mg/cm2，這是目前報道的微孔聚合物最高的比表面積。
此外，這種合成方法得到的電極致密性也得到了顯著改善，其電極密度為傳統電極的三倍。基于上述性質，這種IEP-11材料被用做鋰離子電池正極材料時表現出高比容量（~100 mAh/cm2）和優異的倍率性能（5C下容量保持率高達76%）。此外，不溶特性和堅固的共軛結構使得該聚合物材料的循環穩定性大幅改善，在20C下循環5000周容量保持率高達90%而在30C的大倍率下循環80000周的容量保持率也高達60%。
Antonio Molina，Rebeca Marcilla et al, New Anthraquinone‐Based Conjugated Microporous Polymer Cathode with Ultrahigh Specific Surface Area for High‐Performance Lithium‐Ion Batteries, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201908074?af=R
7. EnSM: π鍵共軛的聚酰亞胺基有機正極材料助力超長壽命可充鎂電池
可充鎂電池是一種在大規模儲能領域十分富有前景的儲能體系。然而，二價Mg2+的高極化特點使其在正極材料中擴散動力學十分緩慢，這嚴重影響了可逆比容量的提高和倍率性能的改善。在本文中，南京大學的金鐘教授發現具有多電子可逆氧化還原性質的芳香二酐衍生聚酰亞胺（PIs）能夠作為可充鎂電池的正極材料。PIs中π鍵共軛的分子單元為Mg2+的存儲提供了豐富的氧化還原活性單元，因此這種有機鎂電池具有較高的開路電壓和高可逆比容量。
研究人員對兩種不同結構的PI分子進行了理論計算和實驗驗證，結果表明相對窄的HOMO-LUMO帶隙和緊密的π-π堆積結構在改善儲鎂性能中發揮了關鍵作用。研究人員將PIs材料與碳納米管(CNT)通過原位聚合的方法進行了共混后再與離子液體改性的非親核有機電解質匹配后組裝了電池。該電池表現出優異的倍率性能，在20C的高倍率下能夠穩定循環超過8000周。
Yanrong Wang, Zhong Jin et al, π-Conjugated Polyimide-Based Organic Cathodes with Extremely-Long Cycling Life for Rechargeable Magnesium Batteries, Energy Storage Materials, 2019
DOI: 10.1016/j.ensm.2019.11.023
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719310694?dgcid=rss_sd_all#!
8. Nano Energy: TiS2中用于高穩定性陽極的功能性陽離子缺陷工程
近年來，鉀離子電池已經被廣泛地研究作為鋰離子電池的替代品，因此開發用于它們的電極材料變得重要。由于TiS2的獨特的分層結構，近日，寧波大學的Shu Jie教授課題組和秦皇島東北大學的Yi Ting-Feng教授課題組選擇了其作為典型的電極材料。但是，1T-TiS2（四邊形（T））是亞穩態的金屬相，導致堿金屬離子電池的穩定性較差。
為了減輕該缺點，在這項工作中，他們通過熱退火法在TiS2的表面上產生了功能性陽離子缺陷。引入鈦空位可有效改善循環能力并增強動力學性能。由于存在缺陷，可以減弱微觀應力和應變，表明缺陷可以減輕離子嵌入過程中的體積膨脹，從而保持結構穩定性，從而獲得出色的循環能力。同時，鈦空位還可以調節堿金屬離子的插入位點以穩定晶體結構。此外，鈦的空位可能有助于改善動力學，包括抗電荷轉移和離子遷移。這些特征通過電化學分析結合密度泛函理論計算得到驗證。
Tingting Liu, Xikun Zhang, Maoting Xia, Haoxiang Yu, Na Peng, Cheng Jiang, Miao Shui, Ying Xie, Ting-Feng Yi*, Jie Shu*. Functional Cation Defects Engineering in TiS2 for High-Stability Anode. Nano Energy, 2019, 104295.
DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104295
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551931002X
9. AM: 穩定的高功率鈣離子電池！
鈣離子電池憑借鈣元素的豐富來源和Ca2+/Ca電對較低的氧化還原電勢被視為富有前景的新一代儲能體系。但是，由于缺乏合適的電極材料以及鈣離子在大多數嵌入宿主中動力學遲緩因而高比能高功率鈣離子電池難以實現。在本文中，韓國首爾國立大學的Kisuk Kang等發現Ca2+可以在天然石墨中實現快速可逆嵌入，這可能會是高功率鈣電池邁向實用化的第一步。他們發現石墨電極嵌鈣在50 mA/g的電流密度下實現97 mAh/g的可逆容量。
其倍率性能也十分優異，當電流增大至2 A/g時嵌鈣容量是小電流時的75%。此外，長達200周的循環過程中并未發現儲鈣容量的下降。實驗結果表明，鈣離子在石墨通道中的插層具有階段性過程。研究人員用同步輻射原位X射線衍射、核磁共振和第一性原理計算等一系列技術闡明了“鈣化”石墨的插層機理。石墨的多功能插層化學有望促進大功率鈣離子電池的發展。
Jooha Park, Kisuk Kang et al, Stable and High‐Power Calcium‐Ion Batteries Enabled by Calcium Intercalation into Graphite, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904411?af=R
10. AFM: 調控氧化還原動力學、電子結構與電極-電解液界面實現高比能鉀-有機電池
鉀-有機電池憑借其低成本和可持續性等優勢而有望在規模儲能和電動汽車等領域實現大規模應用。然而，其較差的循環穩定性以及有機聚合物正極在快速充放電條件下較低的能量密度限制了其進一步發展。在本文中，香港城市大學的Chun-Sing Lee等介紹了一種聚合方法能夠全面地對聚合物正極的氧化還原動力學行為、電子結構以及電極-電解液界面進行調控。
采用這種新型聚合手段的鉀-有機電池在35.2 KW/kg的功率密度條件下其能量密度高達113 Wh/kg，此時的電流密度高達147 C對應著不足10 s的放電周期。在7.35 C的大倍率條件下該電池能夠穩定循環1000周而不發生容量衰減，并且庫倫效率穩定在100%。研究人員將這種聚合物正極與對苯二甲酸鉀負極匹配為全電池后可以獲得目前報道過的全有機鉀離子全電池中最優異的能量密度和循環穩定性。
Zhongqiu Tong, Chun-Sing Lee et al, Tailored Redox Kinetics, Electronic Structures and Electrode/Electrolyte Interfaces for Fast and High Energy‐Density Potassium‐Organic Battery, Advanced Functional Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907656?af=R
11. AFM: 層間金屬協同作用助力超長壽命氯離子電池
氯離子電池憑借其潛在的高理論體積能量密度和豐富的原料來源而成為一種富有前景的新型儲能體系。然而，正極材料較差的循環穩定性和結構穩定性限制了其實際應用。在本文中，北京化工大學的Jingbin Han等發現由三元NiVAl氫氧化物載體和層間Cl-構成的層狀雙氫氧化物（LDHs）可以作為高性能氯離子電池正極材料。這種Ni2V0.9Al0.1‐Cl LDH正極材料在200 mA/g的電流密度下能夠實現高達312.2 mAh/g的可逆比容量，而且循環超過1000周后容量仍有113.8 mAh/g。
如此優異的循環性能超越了目前報道過的所有氯離子電池。研究人員利用同步輻射近邊X射線吸收光譜、動力學實驗以及理論計算等手段證實這種優異的除氯性能來源于三種金屬離子的協同作用：Vm+提供高氧化還原活性， Ni2+提供有利的電子結構而非活性的Al3+則保持結構穩定。該研究為實現高性能二次電池提供了有效策略。
Qing Yin, Jingbin Han et al, Ultralong‐Life Chloride Ion Batteries Achieved by the Synergistic Contribution of Intralayer Metals in Layered Double Hydroxides, Advanced Functional Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907448?af=R
12. AM: 原子厚度仿生葉狀MnO2用作穩定的電池負極材料
葉狀結構是一種十分典型的穩定結構，其獨特的靜脈分支可以最大程度提高材料的結構穩定性。然而，由于在葉肉基質中難以獲得穩定的葉脈狀支撐，因此原子尺度上的仿生葉片結構很少被報道。在本文中，北京航空航天大學的Lidong Li和Lin Guo等首次通過簡單溫和的一步濕化學法制備出原子厚度可呼吸的二維MnO2人造葉。這種均勻的超薄葉狀結構以葉脈狀的晶體骨架為支撐，以無定形微孔葉肉狀納米片為基底。
當用作鋰離子電池負極材料時，這種仿生葉片結構能夠解決了普通MnO2負極材料的不可逆容量損失和循環性能不佳等問題。在100 mA/g的電流密度下這種葉狀MnO2負極能夠實現1210 mAh/g的高容量；即便在1 A/g的大電流下該材料也能穩定循環超過2500周。這種葉狀MnO2展現了純MnO2在循環穩定性方面的最大潛力，其優異的電化學性能甚至可以與大多數二氧化錳基復合電極材料相媲美。
Binbin Jia, Lin Guo, Lidong Li et al, Construction of MnO2 Artificial Leaf with Atomic Thickness as Highly Stable Battery Anodes, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906582?af=R
13. AEM: Sb(V)在聚銻酸中的可逆轉化合金化助力快速持久的鋰/鉀離子儲存
尋找用于堿金屬離子電池的合適電極材料對于新一代儲能技術的發展至關重要。含有多重價態含Sb物種和內部交聯隧道狀焦綠石晶體框架的聚銻酸（PAA, H2Sb2O6）是一種富有前景的高容量儲能材料。制備電化學可逆的PAA電極材料用于堿金屬離子存儲面臨著很大的挑戰，并且由于PAA與最高氧化態Sb（V）的內在電子導電性極其差而尚未有人報道。
在本文中，四川大學的Hao Wu與Yun Zhang等從導電框架結構工程構建策略出發，采用簡單的一鍋法合成了具有均勻納米內孔的PAA八面體并與氮摻雜石墨烯納米片成功復合（PAA?N‐RGO）。他們利用這種獨特的材料結構首次實現了Li+和K+在PAA中的可逆高效存儲。研究人員利用理論計算和原位實驗手段發現PAA中的快速固相離子擴散不僅充分利用了晶格中大尺寸的隧道型通道（0.37 nm），而且顯著提升了材料的電子電導率并有效緩沖了體積膨脹。
Boya Wang, Hao Wu, Yun Zhang et al, Realizing Reversible Conversion‐Alloying of Sb(V) in Polyantimonic Acid for Fast and Durable Lithium‐ and Potassium‐Ion Storage, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903119?af=R
14. Angew: 從釩氧化物中提取氧陰離子助力穩定水系鋅離子電池
可充水溶液鋅離子電池憑借高安全性、低成本以及高能量密度等優勢而備受關注。然而，常用的釩氧化物正極材料與Zn2+之間存在較強的庫倫離子-晶格相互作用，這嚴重限制了水溶液鋅離子電池在高倍率高容量下的循環穩定性。在本文中，復旦大學的彭慧勝教授與王兵杰副研究員合成了一種缺氧態釩氧化物正極材料能夠促進Zn2+嵌入反應動力學并增強電化學反應的可逆性。得益于這種正極材料的堅固結構，水溶液鋅離子電池在高達400 mAh/g的高比容量下能夠穩定循環200周，實現了其理論比容量的95%。適當將容量利用率降低至67%以后該材料能夠保證長達2000周的深度循環。該工作為設計缺氧正極材料開辟了全新的道路。
Meng Liao, Bingjie Wang, Huisheng Peng et al, Extraction of oxygen anions from vanadium oxide making deeply cyclable aqueous zinc ion battery, Angewandte Chemie International Edition, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201912203?af=R
15. ACS Nano: 高容量雙層正極助力水溶液鋅離子電池
水溶液鋅離子電池由于在安全性和成本等方面具有很大的優勢因而被視為一種富有應用前景的儲能器件。然而，由于缺乏高性能的正極材料，因此水溶液鋅離子電池的發展受到了很大的限制。在本文中，美國南卡羅來納大學的Kevin Huang等發現Ca0.67V8O20·3.5H2O (CaVO)納米帶可以用作水溶液鋅離子電池的正極材料。在0.1A/g的電流密度下其放電容量高達466mAh/g。在5A/g的高倍率下循環500周、1000周和2000周的容量保持率分別高達100%、95%和74%。
研究人員利用實驗手段和理論計算發現CaVO杰出的電化學性能根源于其優良的Zn2+傳輸特性、雙層p型V2O5結構以及良好的嵌入脫出可逆性。他們還發現Ca2+在CaVO中充當結構穩定劑并與Zn2+在電解液中發生快速無損的離子交換。最后，研究人員還發現CaVO的成功合成依賴于前驅體漿料的pH以及其結構穩定性與Ca2+/Zn2+/結構水的共存密切相關。
Kaiyue Zhu, Kevin Huang et al, A High Capacity Bilayer Cathode for Aqueous Zn-Ion Batteries, ACS Nano, 2019
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b08039
16. EES: 無粘結劑高載量柔性硅負極
盡管Si負極具有超高的理論比容量，但要想實際應用必須將Si顆粒的尺寸降低至納米級并將其與導電性良好的碳材料復合來克服巨大的體積膨脹和導電性差這兩個問題。在工業上，為了確保納米硅顆粒組成的電極具有機械完整性、良好的分散性以及優良的導電接觸，商品化的Si負極中Si含量不得不低于15%。如此低的Si含量使得在電極水平上Si負極的容量優勢無法有效發揮出來。在本文中，斯坦福大學的崔屹教授、華中科技大學的李會巧教授和浙江農林大學的孫慶豐教授等利用纖維素納米片的自卷繞效應構筑了一種硅含量高達92%的無粘結劑柔性Si微米卷電極。
在這種微米卷電極中，碳包覆的Si納米顆粒均勻地分布在導電碳納米管中，因此可以借助富含內部空間的纖維素碳卷來緩解充放電過程中的體積膨脹。這種電極結構可逆比容量高達2700 mAh/g，循環300周后的容量保持率高達85%。該工作為設計高載量電極結構提供了全新的思路。
Hanwei Wang, Yi Cui, Huiqiao Li, Qingfeng Sun et al, Binder-free High Silicon Content Flexible Anode for Li?ion Batteries, Energy & Environmental Science, 2019
DOI: 10.1039/C9EE02615K
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/EE/C9EE02615K#!divAbstract
17. AEM: 從熱安全角度對高性能Si-C-石墨鋰離子電池負極合成過程的原位機理研究
與現有的石墨負極相比，使用硅納米顆粒、微米級石墨顆粒和淀粉衍生的無定形碳（GCSi）合成的復合負極材料具有可拓展性和顯著改善的電化學性能。在本文中，美國普渡大學的Vilas G. Pol團隊利用環境透射電子顯微鏡（ETEM）對GCSi復合材料的合成過程進行了機理分析，并首次采用專門設計的多模式量熱計對這種復合負極的熱安全性進行了研究。對復合負極的電化學分析表明，GCSi復合負極具有高達1126mAh/g的首周放電容量，其首周庫倫效率為83%。 在500 mA/g的電流密度下該復合負極循環100周后比容量為448 mAh/g。
出色的循環穩定性歸功于淀粉衍生非晶碳的互連結構改善了材料內部的界面結合狀況，從而顯著改善了電化學動力學，減少了普通硅負極材料的體積膨脹和粉碎帶來的相關問題。研究人員對比熱失控過程中釋放的能量發現，GCSi復合材料比傳統石墨負極釋放的熱量少。這表明GCSi復合材料的每種成分都具有協同效應，共同構成了一種高性能安全復合負極材料。
Mihit H. Parekh， Vilas G. Pol et al, In Situ Mechanistic Elucidation of Superior Si‐C‐Graphite Li‐Ion Battery Anode Formation with Thermal Safety Aspects, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902799?af=R
18. Small: 轉化合成鉀鋅六鐵氰化物陣列用作高壓柔性水溶液鈉離子電池正極材料
普魯士藍類似物憑借其獨特的開放框架和良好的放電電壓平臺等優勢有望在水溶液儲能體系中實現規模應用。然而，傳統的共沉淀方法無法制備自支撐電極來滿足可穿戴儲能器件的需求。在本文中，蘇州納米所的姚亞剛研究員團隊使用金屬鋅片陣列作為鋅源和還原劑采用水浴的方法在碳布（CC）表面成功地制備了微米塊狀的K2Zn3(Fe(CN)6)2·9H2O材料，這種材料可以直接用作柔性自支撐電極。得益于自支撐電極快速的離子擴散和良好的電子傳導能力，在0.5mA/cm2的電流密度下該正極能夠實現0.76mAh/cm2的面容量。
當電流密度增加至20mA/cm2時其容量保持率高達57.9%。研究人員將其與生長在碳布上的NaTi2(PO4)3負極匹配成準固態柔性電池后，該電池的輸出電壓高達1.6V，并且能夠實現0.92mWh/cm2的能量密度。該工作為合理設計高性能自支撐柔性電極提供了新的思路。
Bing He, Yagang Yao et al, Conversion Synthesis of Self‐Standing Potassium Zinc Hexacyanoferrate Arrays as Cathodes for High‐Voltage Flexible Aqueous Rechargeable Sodium‐Ion Batteries, Small, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201905115?af=R
二、堿金屬電池
1. Angew小綜述: Li-SPAN電池中穩定鋰金屬負極的電解液調控策略
鋰硫電池憑借其超高的理論能量密度而被視為最具希望的新一代儲能器件。硫化聚丙烯腈（SPAN）正極則憑借其高庫倫效率、優異的循環穩定性以及潛在高能量密度而被認為能夠替代常規的C/S復合電極。然而，負極這邊金屬鋰的不穩定性嚴重制約了Li-SPAN電池電化學性能的提升，導致電池存在循環壽命有限以及潛在的安全風險。考慮到金屬鋰幾乎能夠與各種電解液組分反應生成保護性的固態電解質中間相(SEI), 電解液調控成為了一種高效簡單的保護鋰負極的策略。
在本綜述中，清華大學的張強教授與北京林業大學的Tongqi Yuan等首先介紹了Li-SPAN電池的基本原理與當前面臨的挑戰。然后文章綜述了近年來有關Li-SPAN電池穩定鋰金屬負極電解液調節策略的研究進展并提出了溶劑、鋰鹽、添加劑和凝膠電解液的設計方案。最后，作者展望了鋰電池電解液設計和鋰負極保護的發展前景。
Weijing Chen, Qiang Zhang, Tongqi Yuan et al, Electrolyte Regulation towards Stable Lithium Metal Anode in Lithium–Sulfur Batteries with Sulfurized Polyacrylonitrile Cathode, Angewandte Chemie International Edition, 2019
DOI: 10.1002/ange.201912701
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201912701?af=R
2. AEM: 電化學穩定的Na-Te/碳納米棒電池
為了發展先進高性能電池，使用Na和Te的電化學金屬電池受到了廣泛的關注。然而，這種電池存在著難以解決的倍率性能差、體積容量低、氧化還原機制不明確以及令人厭煩的鈉枝晶等問題。在本文中，合肥工業大學的Yang Jiang與香港城市大學的Chun-Sing Lee等報道了使用新Te/碳納米棒復合正極材料和優化的醚類電解液電化學金屬電池。這是首次有關能夠在低倍率下與Na-S和Na-Se等體系相媲美的Na-Te電池報道。
實際上，由于使用了半金屬態的Te代替不導電的S和Se等，該電池在高倍率條件下的性能已經超越了Na-S和Na-Se電池。研究人員利用從頭算分子動力學模擬、紫外可見光譜、非原位X射線光電子能譜、掃描電鏡等手段證實了三步電化學氧化還原過程和金屬鈉的穩定性。該工作為開發具有高體積能量密度的新型金屬鈉電池開辟了道路。
Hui Wang, Yang Jiang, Chun-Sing Lee et al, Electrochemically Stable Sodium Metal‐Tellurium/Carbon Nanorods Batteries, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903046?af=R
https://doi.org/10.1002/adfm.201906081
3. AFM: 隔膜原位轉移保護層誘導無枝晶鋰沉積
鋰金屬憑借其高理論比容量和最低的氧化還原電勢等優勢而被視為新一代高比能電池負極材料的最終解決方案。然而，由于負極-電解質界面的不穩定性誘導形成鋰枝晶和無盡的電解液消耗，金屬鋰的實際應用受到嚴重的阻礙。在本文中，北京化工大學的Weidong Zhou和北京師范大學的JianjunZhou 與Lin Li等發現將聚合物隔膜上的包覆層原位轉移至鋰金屬負極表面形成保護層能夠有效解決上述界面問題。
這種方法是通過在隔膜表面構建一層涂層后利用金屬鋰的還原能力將其原位還原到鋰負極表面實現的。研究人員先在聚丙烯隔膜表面涂覆PbZr0.52Ti0.48O3（PZT）層然后這種物質與金屬鋰反應生成含Pb的化合物覆蓋在鋰表面。一方面，金屬Pb能夠與Li形成Pb-Li合金；另一方面化合物吸附在鋰表面誘導形成均勻電場分布從而實現穩定無枝晶鋰沉積。使用PZT保護層的Li//Li對稱電池和Li//LiFePO4全電池的庫倫效率和循環穩定性均得到了顯著改善。
Zhiyu Hu, Weidong Zhou, Jianjun Zhou, Lin Li et al, Dendrite‐Free Lithium Plating Induced by In Situ Transferring Protection Layer from Separator, Advanced Functional Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907020?af=R
4. Angew: 可持續固態電解質界面助力實用型鋰金屬電池
二次鋰金屬電池承載著未來高比能儲能體系的希望。然而，由于缺乏合適的固態電解質界面(SEI),使用薄鋰片、少量電解液和高正極載量的鋰金屬全電池常常循環壽命較短。針對這些實際條件下的問題，清華大學的張強教授等利用含氟共溶劑以及后續釋放的電解液添加劑構筑了一種穩定的固態電解質界面。在本質上穩定均勻的含氟SEI膜與電化學循環過程中不斷補充的SEI膜組分共同使得這種SEI膜具有可持續性。
SEI膜中LiF、LiNXOY和Li2O等成分在空間上的特定分布以及各相之間豐富的晶界可以調控金屬鋰均勻沉積，這是SEI莫可持續性的物質基礎。研究人員使用厚度為33um的鋰片在正極載量為4.4mAh/cm2和電解液用量為4.4g/Ah的實用條件下組裝了LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/Li全電池。擁有可持續SEI膜的全電池能夠在循環150周后保持高達83%的初始容量，而普通電池則僅僅能循環4周。此外，他們還開發出了容量3.5Ah的軟包電池，這種軟包電池在2.3g/Ah的電解液用量下能夠穩定循環60周，其能量密度高達340Wh/kg。該工作為實際條件下的鋰金屬電池界面設計提供了新的思路。
Xueqiang Zhang Tao Li, Qiang Zhang et al, Sustainable solid electrolyte interphase enables high‐energy‐density lithium metal batteries under practical conditions, Angewandte Chemie International Edition, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201911724?af=R
5. AEM: 室溫全固態鋰金屬電池的堆積壓力研究
全固態電池由于可以使用金屬鋰因而具有很高的能量密度。盡管固態電解質的機械強度足夠抑制鋰枝晶生長并防止其刺穿電解質，但是仍然有很多研究發現室溫下全固態電池也會由于枝晶生長而失效。其實到目前為止，研究人員們已經充分研究le電流密度、電解質孔隙率、界面性質等電池參數等對全固態鋰金屬電池性能的影響，但是有關鋰金屬的機械性質以及堆積壓力對其電化學性能的影響的研究仍然十分缺乏。
在本文中，加州大學圣地亞哥分校的Ying Shirley Meng等對固態鋰金屬電池隨著堆積壓力的改變而失效的機制進行了研究。他們還采用原位表征手段對下層鋰金屬的界面性質和形貌特點進行了研究。研究結果表明，5 MPa的堆積壓力能夠使得對稱電池穩定地沉積剝離超過1000h。對于Li/Li6PS5Cl/LiNi0.8Co0.05Al0.15O2全電池來說，5MPa的堆積壓力能夠使其在每周沉積-剝離4um厚度Li的情況下穩定循環超過200周。該研究結果證明在合理地堆積壓力下全固態鋰金屬電池能夠在室溫下正常工作。
Jean Marie Doux, Ying Shirley Meng et al, Stack Pressure Considerations for Room‐Temperature All‐Solid‐State Lithium Metal Batteries, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903253?af=R
6. AEM: Cu3P納米線原位轉化形成混合離子-電子導體骨架助力均勻鋰沉積
三維浸潤性集流體是實現高度可逆金屬鋰負極的一種有效手段，但是由于集流體通常只是單電子導體而不導通離子因而其作用十分有限。在本文中，上海硅酸鹽研究所的溫兆銀研究員利用Cu3P納米線原位電化學鋰化形成的混合電子-離子骨架（MIECS）實現了均勻的鋰沉積和高庫倫效率。他們通過計算化學反應的吉布斯自由能變化發現，Cu3P能夠與熔融的金屬鋰反應形成由Cu-Li合金相和Li3P相構成的混合電子-離子導體骨架。
這一成功的轉化不僅顯著降低了Cu3P與熔融金屬鋰之間的表面能，而且能夠通過平衡離子與電子的傳導實現均勻的鋰沉積。因此，這種Li@MICES復合負極在對稱電池和全電池中均表現出良好的循環穩定性。該工作為制備高性能復合鋰負極提供了新的選擇。
Changzhi Sun, Zhaoyin Wen et al, In Situ Conversion of Cu3P Nanowires to Mixed Ion/Electron‐Conducting Skeleton for Homogeneous Lithium Deposition, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902989?af=R
7. AEM: 利用親鋰納米管陣列的空間限域和均勻曲率穩定鋰金屬負極
鋰金屬負極在可充電池中的應用受到其表面枝晶生長的限制。鋰枝晶的生長不僅會縮短電池的循環壽命，還會造成嚴重的安全隱患。最近，美國東北大學的Hongli Zhu和密歇根大學迪爾伯恩分校的Lei Chen等將具有超均勻表面曲率的親鋰納米管作為結構性負極成功地抑制了鋰枝晶的生長。這種超均勻納米管表面能夠誘導形成均勻的局部電場將鋰離子吸引到表面上，從而能夠產生均勻的電流分布。
此外，均勻排布的納米管空間不僅為電子傳輸和離子擴散提供了通道，而且還能為金屬鋰的沉積提供容納空間。這些結構屬性創造了一種獨特的電沉積方式，即鋰金屬均勻地沉積在納米管壁上并使得每根鋰納米管在圓周上生長，沒有明顯的枝晶跡象。因此，使用這種具有間隔的親鋰納米管結構負極的全電池在1C下表現出132mAh/g的高比容量，并且在400周循環中保持平均庫侖效率高達99.85%。
Karnpiwat Tantratian， Lei Chen, Hongli Zhu et al, Stable Li Metal Anode Enabled by Space Confinement and Uniform Curvature through Lithiophilic Nanotube Arrays, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902819?af=R
8. AM: 新型有機磷酸酯衍生的雙層界面助力無枝晶且空氣穩定的鋰金屬負極
鋰金屬被視為新一代儲能體系中最具希望的負極材料，但其實際應用很大程度上受到極不穩定的電極-電解液界面的限制。這種不穩定的界面在長期電化學循環過程中很容易破裂，也就會造成嚴重的負極腐蝕和枝晶生長。最近，蘇州大學的晏成林教授團隊利用新型有機磷酸酯與金屬鋰的反應在金屬表面構建了上層由有機磷物種下層由無機Li3PO4構成的雙層人工SEI膜。
柔性的有機層能夠保持SEI膜的結構完整性而剛性無機層的楊氏模量高達12GPa能夠有效抑制鋰枝晶的生長。因此，這種受保護的鋰金屬負極能夠在2mA/cm2的電流密度下保持長達800周的電沉積循環。此外，均勻的雙層界面能夠保護鋰金屬免受空氣腐蝕，使其能夠與惰性氣氛中的鋰金屬實現幾乎一致的電化學性能
。
Xuejun Liu, Chenglin Yan et al, Novel Organophosphate-Derived Dual-Layered Interface Enabling Air-Stable and Dendrite-Free Lithium Metal Anode, Advanced Materials, 2019
DOI: 10.1002/adma.201902724
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adma.201902724
9. EES: FSI-啟發的溶劑與全氟磺酰電解液助力4V級鋰金屬電池
高壓可充鋰金屬電池的發展要求電解液與金屬鋰負極和高壓氧化物正極都具有良好的相容性。在本文中，美國麻省理工學院的Yang Shao-Horn、Jeremian A. Johnson與Ju Li等通過移植LiFSI這種與金屬相容性很好的鋰鹽中的磺酰胺官能團成功地制備了一種新型有機電解液溶劑-CFSO2NC2H6。基于這種氟代溶劑，他們開發了一種全新的全氟磺酰胺電解液。這種電解液能夠賦予鋰金屬電池高達91%的首周庫倫效率，在10周內其庫倫效率就可以迅速接近99%。
這樣優異的庫倫效率表現超過了傳統的基于FEC溶劑的碳酸酯電解液。此外，這種電解液對于NCM622和LiMn2O4正極也具有良好的界面相容性，在其工作電壓下具有良好的抗氧化穩定性。在使用有限過量鋰金屬負極的情況下，Li//NCM622全電池在循環200周后的容量保持率高達89%。這種電解液設計策略為開發新型高壓鋰金屬電池電解質提供了全新的思路。
Weijiang Xue, Yang Shao-Horn, Jeremian A. Johnson, Ju Li et al, FSI-inspired solvent and “full fluorosulfonyl” electrolyte for 4 V class lithium-metal batteries, Energy & Environmental Science, 2019
DOI: 10.1039/C9EE02538C
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/EE/C9EE02538C#!divAbstract
10. AM: 珍珠層啟發的復合電解質助力負載型固態鋰金屬電池
使用固態電解質的固態鋰金屬電池有望成為新一代儲能器件。然而，由于陶瓷電解質的脆性和聚合物電解質的柔軟性，開發面對外部應力仍然保持機械穩定性的固態電解質仍然充滿挑戰。在本文中，美國哥倫比亞大學的Xi Chen和Yuan Yang等從天然珍珠層結構得到啟發提出了一種具有“磚泥結構”的陶瓷-聚合物復合電解質。
這種類珍珠層復合電解質（NCPE）同時具有比純陶瓷電解質高的斷裂應變（1.1%-0.13%）和比純聚合物電解質高的極限彎曲模量（7.8GPa-20MPa）。在外部壓力負載下該復合電解質的電化學性能也優于其單獨組分。他們使用LAGP/聚醚丙烯酸酯NCPE電解質組裝了5×5cm的軟包電池，該軟包電池在外部點壓力為10N條件下在室溫下循環100周的容量保持率高達95.6%。NCPE的提出為固態復合電解質提供了一種新的設計方案，并為未來固態鋰金屬電池開辟了新的可能性。
Aijun Li, Xi Chen, Yuan Yang et al, Nacre‐Inspired Composite Electrolytes for Load‐Bearing Solid‐State Lithium‐Metal Batteries, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905517?af=R
11. AM: Li0.34La0.56TiO3固態電解質薄膜助力高比能鋰金屬電池
陶瓷電解質憑借其出色的熱穩定性、寬電化學穩定窗口和超高的離子電導率因而在諸多固態電解質體系中備受青睞。為了實現高能量密度的鋰金屬電解質，考慮到陶瓷電解質具有較高的體積密度，因而常常需要其電解質層厚度為數十個微米。最近，華南理工大學的Suqing Wang 和Haihui Wang等通過簡單的流涎法制備了厚度僅為25um的薄層鈣鈦礦型Li0.34La0.56TiO3（LLTO）固態電解質薄膜。與冷壓法制備的厚度大于200um的電解質相比，這種LLTO薄膜的離子電導率從9.6×10-6S/cm提升至2×10-5S/cm。
此外，這種厚度僅為25um的LLTO薄膜表現出高達264MPa的抗彎強度。研究人員又采用厚度為41um的LLTO薄膜組裝了全固態鋰金屬電池，這種全固態電池首周可逆放電比容量高達145mA/g且循環50周后的容量保持率高達86.2%。降低陶瓷氧化物電解質的厚度對于降低電解質阻抗并提高鋰金屬電池的能量密度十分關鍵。
Zhouyang Jiang, Suqing Wang and Haihui Wang et al, Tape‐Casting Li0.34La0.56TiO3 Ceramic Electrolyte Films Permit High Energy Density of Lithium–Metal Batteries, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906221?af=R
12. AM：MXene構筑無枝晶鉀金屬負極
由于鉀金屬的低電位（-2.93 V）和高比容量（≈687 mAh g-1）優勢，鉀金屬負極在未來的鉀-硫、鉀-空氣電池中具有廣泛應用前景。但是，同其它堿金屬類似，鉀金屬負極也面臨枝晶等安全性問題。為此，悉尼科技大學的汪國秀教授、周棟博士和德雷塞爾大學的Yury Gogotsi教授合作在Advanced Materials發表研究進展。
研究人員通過抽濾方式制備了同時存在鈦缺陷和富含氮的MXene納米片DN-MXene與碳納米管的復合網絡電極，并將鉀熔融進網絡骨架中，得到了優化的鉀金屬負極K@DN-MXene/CNT。高導電的三維骨架降低了局部電流密度，DN-MXene納米片則具有親鉀特性，誘導鉀的成核生長，實現鉀金屬在網絡中的均勻分布。本文中，研究人員組裝了鉀-硫電池，并取得了優異的性能表現。本研究為今后堿金屬負極的研究提供了寶貴思路。
Xiao Tang, Dong Zhou, Peng Li, et al, MXene-Based Dendrite-Free Potassium Metal Batteries, Adv. Mater., 2019
DOI：10.1002/adma.201906739
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906739?af=R
13. EnSM: 銅包覆的軟織物用作鋰金屬電池負極
鋰枝晶及其相關問題嚴重限制了金屬鋰負極的實際應用。在本文中，哈佛大學的Xin Li等人發展了一種銅包覆的三維軟織物可以用做高性能鋰金屬負極。研究人員采用一種可擴展的兩步浸涂法將銅涂覆在各種絕緣織物上使其具有導電性。
在電池測試中，3D軟導電織物有助于在電池循環期間更均勻地沉積鋰，其工作時間超過1000小時。研究人員通過顯微表征、電化學測試和理論模擬相結合的方法，揭示了3D-Cu結構通過機械作用抑制鋰枝晶生長的機理。該工作為開發新型鋰金屬負極提供了設計原則。
Luhan Ye, Xin Li et al, Cu coated soft fabric as anode for lithium metal batteries, Energy Storage Materials, 2019
DOI: 10.1016/j.ensm.2019.11.007
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719310426?dgcid=rss_sd_all#!
14. EnSM: 具有增強界面相容性和均勻離子流分布的多尺度結構PVDF-PMIA隔膜用于無枝晶鋰金屬電池
鋰金屬負極憑借高理論比容量和最低氧化還原電勢等備受關注，但是嚴重的枝晶生長問題限制了其實際應用。在本文中，天津工業大學的Weimin Kang 和Bowen Cheng 等通過靜電紡絲技術制備了一種包含TBAHP(四丁基六氟磷酸銨)的PVDF-HFP/PMIA(聚偏二氟乙烯-六氟丙烯/聚間苯二甲酰胺)多尺度隔膜并將其用于鋰金屬電池中。在TBAHP和PVDF-HFP的協同調控作用下，這種薄膜表現出極高的孔隙率、較小的孔徑和均勻分布的孔結構，從而能夠具有超高的電解液親和性和超高的界面相容性。
特別是在隔膜的多尺度結構約束下，金屬鋰負極表面離子流分布得很均勻，從而實現電沉積過程中的均勻成核和非晶態生與此同時，這種T/F-P隔膜還具有優異的熱穩定性和超高的拉伸強度，這有助于從機械角度抑制枝晶生長并保證電池的安全性。此外，采用這種T/F-P隔膜的鋰硫電池具有優異的自放電抑制能力，還可以對多硫化物實現吸附性捕獲，因而循環穩定性得到了大幅改善。因此，多尺度結構的T/F-P隔膜可以作為提高鋰金屬電池安全性和電化學性能的可靠選擇。
Huijuan Zhao, Weimin Kang, Bowen Cheng et al, Highly multiscale structural Poly(vinylidene fluoridehexafluoropropylene) / poly-m-phenyleneisophthalamide separator with enhanced interface compatibility and uniform lithium-ion flux distribution for dendrite-proof lithium-metal batteries, Energy Storage Materials, 2019
DOI: 10.1016/j.ensm.2019.11.005
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719310402?dgcid=rss_sd_all#!
15. Small: Bi在三維還原氧化石墨烯骨架中的原位嵌入實現高容量長壽命能量存儲
金屬鋅、金屬鉍等材料憑借其高比容量、高豐度、低毒性以及本質上的安全性等優勢被視為理想的水溶液電池負極材料。然而，這些金屬負極的實際應用受到其活性物質載量較低的限制。在本文中，復旦大學的彭慧勝教授與王兵杰副研究員團隊通過將金屬Bi原位嵌入到三維多尺度還原氧化石墨烯(rGO)中成功地解決了上述問題。在這種三維多尺度復合結構中，三維rGO骨架中的電子傳導能夠快速進行，電子更容易到達微納尺度的金屬Bi顆粒上。
因此，這種rGO/Bi復合負極能夠在2mA/cm2的電流密度下實現3.51mAh/cm2的高面容量，在載量高達40mg/cm2時其活性材料的利用效率高達91.4%而且能夠穩定可逆地循環超過10000周。研究人員將其與金屬Ni匹配為Ni//Bi電池后，在2mA/cm2的電流密度下該電池表現出高達3.31mAh/cm2的高面容量。該工作可以視為通過設計分層網絡結構改善電化學性能的典范。
Mengying Wang, Bingjie Wang, Huisheng Peng et al, In Situ Intercalation of Bismuth into 3D Reduced Graphene Oxide Scaffolds for High Capacity and Long Cycle‐Life Energy Storage, Small, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201905903?af=R
16. Small：梯度分布的成核位點誘導鋰離子的均勻沉積
三維的儲鋰載體設計可有效減少局部電流密度，從而緩解鋰枝晶的產生。但是，在高電流密度和高儲鋰容量時，沿著電極徑向方向存在鋰離子濃度梯度，電極表面的鋰離子濃度高，更易成核生長，因此反復沉積/溶出過程中，鋰枝晶仍不可避免產生。
本研究中，北京航空航天大學的Bin Li和Songmei Li等著眼于鋰離子沉積的動力學過程，通過電紡的方式設計并合成了具有梯度氧化鋅分布的碳纖維網絡（G-CNF），氧化鋅位點能夠誘導鋰離子的沉積，而梯度分布的特點則抵消了鋰離子濃度極化，實現了鋰金屬在三維骨架中均勻、穩定地生長。在0.5 mA cm-2電流密度下，Li|G-CNF半電池循環700圈，庫倫效率達98.1%。在5 mA cm-2的高電流密度下，循環200圈的庫倫效率達96.0%。
Yang Nan, Songmei Li, Yongzheng Shi, et al, Gradient-Distributed Nucleation Seeds on Conductive Host for a Dendrite-Free and High-Rate Lithium Metal Anode, Small, 2019
DOI：10.1002/smll.201903520
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201903520?af=R
三、鋰硫/鈉硫電池
1. AEM: 生物啟發粘結劑控制高載量Li-S電池中的離子遷移與體積膨脹
高載量鋰硫電池擁有很高的面容量，但是面臨著多硫化物穿梭效應、還原產物電子電導率低、體積膨脹以及S/C活性材料脫落等問題導致的循環性能下降。在本文中，浙江大學化學工程與生物工程學院的張慶華教授等通過三元共聚物側鏈官能團的分子間物理交聯制備了一種水溶性粘結劑框架，這種從生物材料受到啟發的粘結劑能夠有效解決高載量鋰硫電池存在的上述問題。
實驗結果和理論計算均表明，這種具有優異體積緩沖能力的粘結劑框架能夠通過分子鏈上的O、N等活性位點與多硫化物陰離子形成化學鍵來抑制其穿梭效應。此外，這種粘結劑網絡具有豐富的負電荷磺酸鹽配位點和良好的電解液吸收能力，這使得組裝的電池具有高的鋰離子導電性和快速的鋰離子擴散能力。因此，基于此生物粘結劑的鋰硫電池在1C的大倍率下循環350周后的容量保持率高達98%，在12.0 mg/cm2的硫載量的前提下能夠實現高達12.8 mAh/cm2的面容量。
Biyu Jin, Qinghua Zhang et al, Bioinspired Binders Actively Controlling Ion Migration and Accommodating Volume Change in High Sulfur Loading Lithium–Sulfur Batteries, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902938?af=R
2. ACS Nano: 使用谷氨酸電解質抑制鋰硫電池中多硫化物的溶解與穿梭
Li-S電池被視為是新一代高比能電池中最具前景的儲能器件。然而，多硫化物中間體在電解液中的溶解與穿梭效應會造成嚴重的容量衰減、電池自放電以及較差的高溫電化學性能。在本文中哈爾濱工業大學的Chunhui Yang 與Weidong He等發現向商品化電解液中加入谷氨酸能夠同時解決上述問題。
由于谷氨酸上有豐富的充滿負電荷的羥基官能團，因此可以憑借其與同帶負電荷的多硫化物之間高達1.54 eV的強庫倫排斥作用來抑制其溶解和穿梭。憑借谷氨酸添加劑電解液的上述作用，Li-S電池能夠在5.95 mA/cm2的電流密度下穩定循環1000周后保持高達60%的容量保持率。其自放電速率也下降為原來的1/3，在60攝氏度的高溫條件下依然可以正常循環。
Liwei Dong, Chunhui Yang, Weidong He et al, Suppression of Polysulfide Dissolution and Shuttling with Glutamate Electrolyte for Lithium Sulfur Batteries, ACS Nano, 2019
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b06934
3. Nano Energy: Nafion@石墨炔復合核殼結構助力高性能硫正極
近年來，高能量密度的鋰硫電池得到廣泛研究，制備高性能的硫正極是其實用化的關鍵因素之一。完整的硫正極反應過程涉及到的關鍵步驟包括電荷傳輸、物質轉移和物相轉化。傳統的納米碳/硫復合物中，納米結構內部物質轉移是整個過程的限速步驟，而常見的復合物外層包覆Nafion的方法，并不能有效改善這一問題。
基于此，李玉良院士團隊以銅納米顆粒為模板，通過兩步反應，得到了Nafion@石墨炔的復合核殼結構，Nafion與石墨炔結構緊密結合在一起。在該復合結構中，Nafion改善了納米結構內部的物質傳輸行為，石墨炔則構筑了高導電網絡結構，得到的硫正極表現出高穩定性和高體積能量密度特點。該研究幫助大家更為深入地理解硫正極的反應過程，并提供了一種嶄新的性能優化策略。
Fan Wang, Zicheng Zuo, Liang Li et al, Graphdiyne nanostructure for high-performance lithium-sulfur batteries, Nanoenergy, 2019
DOI： 10.1016/j.nanoen.2019.104307
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519310146
4. AEM綜述：鋰硫電池中的“吸附-催化”策略
鋰硫電池中，硫正極的反應是一個“液-固-液”轉化過程，即固相的硫首先放電產生可溶性的長鏈多硫化物，再進一步被氧化，變成不溶性的Li2S2和Li2S。由此產生的長鏈多硫化物在正、負極間來回穿梭，并伴隨一系列副反應的現象，即為“穿梭效應”。近年來，大多數鋰硫電池正極的研究論文均致力于解決或緩解這一問題。在廣泛的研究中，通過“吸附-催化”途徑固定多硫化物，并加速其進一步動力學轉化，是最主要的策略。
電子科技大學的Yin Hu、Xianfu Wang和Jie Xiong等從該主題入手，將過往文獻中報道的“吸附-催化”設計策略分為四類：（1）聚集多硫化物（Adsorption-Catalysis for LiPSs Aggregation）；（2）產生硫代硫酸鹽或連多硫酸鹽（Adsorption-Catalysis for Thiosulfate or Polythionate Generation）；（3）形成硫自由基（Adsorption-Catalysis for Sulfur Radical Formation）；（4）其它吸附-催化策略（Other Adsorption-Catalysis in Li-S Batteries），包括非均相催化和單原子催化。作者舉例對這四種作用方式進行了深入探討，并在論文最后對未來該領域的研究給予了建議。相信本論文將有助于大家對硫正極中的反應過程和調控策略有進一步理解。
Miao Zhang, Wei Chen, Lanxin Xue, et al, Adsorption-Catalysis Design in the Lithium-Sulfur Battery, Adv. Energy Mater., 2019
DOI：10.1002/aenm.201903008
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903008?af=R
5. AEM：有機硫和功能化隔膜協同抑制穿梭效應
針對鋰硫電池的穿梭效應問題，大多數的研究聚焦于載硫材料的設計，如各種納米碳材料的結構設計和表面修飾，這些設計策略僅能一定程度上緩解穿梭效應帶來的問題。因此，近年來，有機硫化合物的設計和合成引起關注，并得到多篇儲能領域頂級期刊報道。但是，有機硫本身導電性差問題仍制約了其高性能表現。吉林大學的Bo Jin、Qing Jiang和伍倫貢大學的Shixue Dou等合作發表最新研究進展，以聚半胱氨酸功能化的石墨烯和硫粉為原料，合成了有機硫化合物，硫以鏈狀形式通過共價鍵嫁接在富含巰基的石墨烯上。
實驗和理論計算證明，在充放電過程中，石墨烯提高了復合物的導電性，而長鏈多硫化物(Li2Sn, 4< n≤8)的產生被抑制。結合氮硫雙摻雜的石墨烯阻擋層，組裝的鋰硫電池表現出高的循環（700圈，1 C）和倍率性能（724 mAh g-1， 4 C）。該研究為今后有機硫化合物的設計提供了重要思路。
Huan Li, Yitong Zhou, Ming Zhao, et al, Suppressed Shuttle via Inhibiting the Formation of Long-Chain Lithium Polysulfdes and Functional Separator for Greatly Improved Lithium–Organosulfur Batteries Performance, Adv. Energy Mater., 2019
DOI：10.1002/aenm.201902695
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201902695
6. Small: 設計多功能催化界面調控Li-S電池中多硫化物與Li2S的氧化還原轉化
多硫化物的穿梭效應與緩慢的氧化還原動力學嚴重限制了Li-S電池的實際應用。之前的研究發現，在Li-S電池內部引入多功能中間層能夠有效阻礙多硫化物的遷移。此外，可溶多硫化物/電解質界面的表面化學的改善是實現Li-S電池穩定循環的關鍵，這主要涉及到溶解在電解液中的多硫化物的吸附與再利用。在本文中，深圳大學的Yumeng Shi與新加坡科技設計大學的Huiying Yang等在可溶性多硫化物-電解液界面上設計了一種具有多功能催化性的NbN/NG(NG=氮摻雜石墨烯)人工中間層。
由于這種NbN/NG中間層在Li-S電池中能夠承擔長程電子傳導、強有力的化學吸附以及提供豐富的催化位點，因此可以調控對應的界面化學反應。實驗結果和理論計算均表明，這種具有優異電催化性質的類金屬NbN中間層對于調控多硫化物氧化還原反應和調節Li2S的成核-生長-分解過程都十分有效。因此，采用NbN/NG中間層的Li-S電池表現出優異的倍率性能（621.2 mAh/g at 3C）和杰出的循環穩定性(81.5% after 400 cycles)。該工作為Li-S電池中多功能催化層的界面設計提供了新的觀點。
Shuang Fan, Yumeng Shi, Huiying Yang et al, Design Multifunctional Catalytic Interface: Toward Regulation of Polysulfide and Li2S Redox Conversion in Li–S Batteries, Small, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201906132
7. EnSM綜述: 原子層沉積技術在Li-S電池和Na-S電池中的應用
Li-S電池和Na-S電池由于具有高理論能量密度、豐富的硫儲量以及長循環壽命等優勢而成為富有應用前景的新型儲能體系。然而，兩種電池都面臨著導電性差、正極體積膨脹嚴重、電解液腐蝕負極、多硫化物穿梭效應以及負極枝晶生長等問題。最近，原子層沉積（ALD）技術以其優異的共形沉積特點、數字化和精確的沉積層厚度控制以及在介孔材料等復雜基底上的溫和低溫生長等優點而在鋰離子電池和鈉離子電池中顯示出巨大的應用潛力。受這些優點的啟發，最近越來越多的研究成功地采用ALD策略來制備或修飾正負極材料、中間界面層以及固態電解質薄膜，以期提高Li-S電池或Na-S電池的材料導電性和電化學穩定性。
在本文中，加拿大國家材料和電信研究所的Gaixia Zhang和Shuhui Sun以及華南理工大學的Shijun Liao等首次總結了近年來原子層沉積技術在Li-S電池和Na-S電池中的應用研究進展。文章重點展示了ALD技術在上述兩種電池中的多功能作用并選取了經典案例進行了分析。此外，文章還討論了原子層沉積技術的機制、優勢以及未來的發展趨勢。
Jun Zhang, Gaixia Zhang, Shuhui Sun, Shijun Liao et al, Emerging applications of atomic layer deposition for lithium-sulfur and sodium-sulfur batteries, Energy Storage Materials, 2019
DOI: 10.1016/j.ensm.2019.11.025
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719310724?dgcid=rss_sd_all#!
8. EnSM: 硫化聚丙烯腈（SPAN）正極的機理性研究
硫化聚丙烯腈（SPAN）復合正極破解了多硫化物溶解和穿梭的難題并因此表現出優異的電化學性能。然而，到目前為止其合成機理、化學結構以及儲鋰機制都尚不清楚。在本文中，臺灣科技大學的Chung-Feng Jeffrey Kuo、Wei Nien Su以及Bing-Joe Hwang等利用高分辨率交叉極化/魔角旋轉（CP-MAS）固態核磁共振光譜（ssNMR）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、X射線光電子能譜（XPS）以及元素分析和電化學分析等手段對SPAN的反應機理、化學結構和儲鋰機制等進行了研究。
他們發現除了移至的C-S鍵和S-S鍵以外，SPAN結構中還存在N-S鍵和N=C-S鍵。在首周充放電過程中，化學鍵的電化學裂解產生高首周放電比容量并伴隨著較大的電化學極化。一旦共價鍵在首次充放電循環中發生裂解，Li-C和Li-N鍵的給電子效應就會增加共軛雜環的電子密度，從而有利于降低第二周以后的的充放電極化。該研究結果表明，SPAN正極的共價分子相互作用完全克服了多硫化物的溶解，從而防止了活性物質的流失。此外，本結構可進一步應用于設計有機正極材料以實現高活性材料負載下的優異電化學性能。
Misganaw Adigo Weret, Chung-Feng Jeffrey Kuo、Wei Nien Su and Bing-Joe Hwang et al, Mechanistic Understanding of the Sulfurized-Poly(acrylonitrile) Cathode for Lithium-Sulfur Batteries, Energy Storage Materials, 2019
DOI: 10.1016/j.ensm.2019.11.022
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719310682?dgcid=rss_sd_all#!
四、電解質
1. AEM: 水/乙腈雜化電解質提高水系鋰離子電池的電化學性能與低溫性能
盡管”water-in-salt”電解液已經成功地將水溶液電解質的電化學穩定窗口從1.23V擴寬至3V，但是在1.9V以下不可避免的析氫反應限制了很多高比能負極的應用。同時，其17℃的液化溫度限制了其在低溫條件下的應用。在本文中，華南師范大學的刑麗丹與美國陸軍研究實驗室的許康教授等采用乙腈用作共溶劑設計了一種高性能水溶液電解質。
這種電解質最大程度地降低了負電荷界面上的水分子數量并能夠形成外層含氮含硫內層富含LiF的界面層。這樣一種有機-無機復合界面成功地抑制了水的還原分解，因此其電化學穩定窗口擴寬至4.5V。得益于乙腈的低凝固點和低粘度，這種雜化水系電解液能夠在較寬的溫度范圍內具有良好的離子導電能力。因此， LiMn2O4//Li4Ti5O12全電池在常溫下和低溫下都可以表現出優異的循環穩定性和倍率性能。此外，這種電解液還繼承了水系電解液不燃的特性。
Jiawei Chen, Lidan Xing, Kang Xu et al, Improving Electrochemical Stability and Low‐Temperature Performance with Water/Acetonitrile Hybrid Electrolytes, Advanced Energy Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902654?af=R
2. Nat. Commun.: 超分子鋰離子導體實現機械性能與離子電導的分離！
可穿戴電子產品的出現使其內置電池更加接近人們的皮膚，這就對電池材料提出了更高的要求, 需要它們兼顧機械強度、可拉伸性以及良好的離子電導率。在本文中，斯坦福大學的崔屹教授、鮑哲南教授聯合上海交通大學的顏徐州研究員等將超分子結構引入到聚合物電解質中成功地實現了機械強度與離子電導率的分離，即采用不同的分子結構承擔不同的功能。這種超分子鋰離子導體分別利用正交官能化的氫鍵單元與離子電導單元實現了空前的韌性（29.3MJ/m3）和超高的離子電導率（室溫離子電導為1.2×10-4S/cm）。
他們將這種超分子鋰離子導體制備成粘結劑材料，這樣能夠采用傳統漿料工藝制備應變能力超過900%的可拉伸鋰離子電池電極。這些電池組分的超分子性質使得它們能夠在電極-電解液界面上緊密結合。利用這些可伸縮組件構建的電池容量高達1.1 mAh cm-2，甚至在70%的應變條件也能維持正常工作。本文所報道的將離子導電與力學性能分離的方法為制備高韌性儲能離子輸運材料開辟了一條很有前途的途徑。
David G. Mackanic, Yi Cui, Zhenan Bao, XuZhou Yan et al, Decoupling of mechanical properties and ionic conductivity in supramolecular lithium ion conductors, Nature Communications, 2019
3. Nat. Commun.: 無監督學習方法用于固態鋰離子導體的發現
雖然機器學習手段在發現新型功能材料中發揮了重要作用，但是可用材料性質數據的缺乏使得可靠模型的發展受到阻礙。在本文中，馬里蘭大學的Yifei Mo和豐田北美研究中心的Chen Ling等提出并展示了一種使用無監督學習手段發現新型材料的方法。這種方法不需要標記現有材料性質相關的數據，這就規避了材料數據短缺帶來的問題。
研究人員講固態鋰離子導體作為探究對象，使用無監督學習手段從有限的離子電導數據中發現了一系列固態鋰離子導體材料以便進一步精確篩選。他們采用從頭計算分子動力學模擬方法預測了這16中新型固態離子導體的鋰離子電導率在10-4–10-1?S/cm的范圍內。這些化合物具有不同于已知系統的結構和化學性質，這就證明了無監督學習可以在有限的屬性數據下在廣闊的材料空間中發現新型目標材料。
Ying Zhang, Yifei Mo, Chen Ling et al, Unsupervised discovery of solid-state lithium ion conductors, Nature Communications, 2019
4. AM: 惰性陽離子輔助的water-in-salt電解液助力高壓水溶液鈉離子電池
Water-in-salt(WiS)電解液為擴寬水溶液電解質的電化學穩定窗口提供了新的解決方案。然而，WiS電解液的配方嚴重依賴于所選電解質鹽的溶解性，這就大大限制了可選WiS體系的數量。在水溶液鈉離子電池中這個問題變得更加嚴重，因為鈉鹽相比鋰鹽的溶解性相對更差。在本文中，中科院物理所的胡勇勝研究員和索鎏敏副研究員以及美國軍事研究實驗室的Oleg Borodin等通過向電解液體系中引入四乙基銨陽離子（TEA+）成功地開發出一種新型的惰性陽離子輔助的water-in-salt電解液(IC-WiS)。
這種Na IC-WiS電解液在濃度為31 mol/kg時成功地將水溶液電解液的電化學穩定窗口擴寬至3.3V，既能夠抑制正極側過渡金屬離子的溶解也能夠保證循環過程中正負極間的鈉離子脫嵌。得益于這種Na IC-WiS電解液獨特的優點，由NaTiOPO4負極和Na1.88Mn[Fe(CN)6]0.97·1.35H2O正極組成的水溶液鈉離子全電池平均電壓高達1.74V，能量密度高達71 Wh/kg。其在0.25C下循環200周后的容量保持率高達90%，在1C下循環800周后容量保持率高達76%。
Liwei Jiang, Oleg Borodin, Liumin Suo, Yongsheng Hu et al, High‐Voltage Aqueous Na‐Ion Battery Enabled by Inert‐Cation‐Assisted Water‐in‐Salt Electrolyte, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201904427?af=R
5. JACS: 無催化動態網絡用于可循環自愈性聚合物電解質
具有動態共價交聯的聚合物網絡表現出固體行為但在高溫下卻可以像液體一樣流動。這些共價動態聚合物網絡被廣泛用于可重復性自愈材料，但是將其用作電解質的報道還比較少。在本文中，伊利諾伊大學香檳分校的Christopher M. Evans等研究了LiTFSI的含量對于基于PEO的聚合物網絡離子傳導和動態性質的影響。他們發現在優化的LiTFSI濃度下這種動態聚合物網絡的離子電導率可以達到3.5×10-4 S/cm。
流變學測試表明，隨著剪切模量在1～10 MPa之間變化，聚合物網絡的應力松弛程度會增加2個數量級，在這個過程中LiTFSI的含量對其力學性能有著顯著影響。此外，研究人員發現這種聚合物在損傷情況下會溶解為單體但在損傷之后又會恢復到原來的離子電導率。這體現了其用作自愈型動態固態電解質的潛力。
Brian B. Jing, Christopher M. Evans et al, Catalyst-Free Dynamic Networks for Recyclable, Self-Healing Solid Polymer Electrolytes, JACS, 2019
Doi: 10.1021/jacs.9b09811
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b09811
6. JMCA：導電碳/PEO界面工程穩定聚合物電解質助力高電壓全固態LiCoO2電池
全固態鋰電池在電動汽車和規模儲能領域都有著廣闊的應用前景。基于PEO(聚氧化乙烯)的聚合物電解質由于具有高離子電導和輕質廉價等優勢而成為固態電解質的首選。然而，PEO基聚合物電解質的電化學氧化電位較低，這嚴重限制了其在高壓全固態鋰電池中的使用。在高壓正極和PEO基聚合物電解質之間構建穩定界面是解決這個問題的一種有效方案。傳統的界面保護策略是在正極活性顆粒表面構筑包覆層。但這常常由于正極中的導電碳能夠加速聚合物分解而失效。
在本文中，加拿大西安大略大學的孫學良教授團隊利用原子層沉積手段在電極表面而不是在活性顆粒表面構筑了一種鉭酸鋰界面保護層用來分隔高壓正極與聚合物電解質。這種鉭酸鋰界面層與PEO基聚合物電解質具有良好的界面相容性，從而使得全固態高壓LiCoO2電池具有良好的循環穩定性。該工作為高壓正極和聚合物電解質之間的界面保護提供了全新的觀點。
Jianneng Liang, Xueliang Sun et al, Engineering the Conductive Carbon/PEO Interface to Stabilize Solid Polymer Electrolytes for All-Solid-State High Voltage LiCoO2 Batteries, Journal of Materials Chemistry A, 2019
DOI：10.1039/C9TA08607B
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/TA/C9TA08607B#!divAbstract
7. JACS: 陰陽離子動力學耦合增強室溫超離子固態電解質中陽離子遷移率
單離子固態電解質作為固態電池中的關鍵材料吸引了諸多關注，但是有關影響其內部離子傳導的因素尚不明確。在本文中，滑鐵盧大學的Pierre –Nicholas Roy和Lindar F Nazar和吉林大學的Hui Li以及澳大利亞核科學技術組織的Maxim Avdeev等首次利用室溫中子粉末衍射數據的最大熵方法、從頭算分子動力學和聯合時間相關分析等手段證明了陰離子骨架的動態響應在新型快速離子導體，Na11Sn2PnX12（Pn=P，Sb；X=S，Se）中起著重要的作用。 [PX4] 3 -陰離子旋轉存在于超導的Na11Sn2PS12和Na11Sn2PSe12中，但 [SbS4] 3 -在其導電性較低的類似物Na11Sn2SbS12中難以觀察到類似的旋轉現象。
伴隨著能量島中的動力學性質下降， 研究人員發現[PX4]3-負離子旋轉引起的波動能夠耦合并促進了長程陽離子遷移。本文所述的組合分析解決了長期爭論的槳輪機制的作用，并且直接證明了陰離子旋轉能夠顯著增強陽離子的遷移。在傳統的過渡態理論不適用的情況下，本文提出的聯合時間相關分析方法可廣泛應用于分析陰陽耦合相互作用。這些發現對固體電解質中離子傳輸的基本原理提供了重要的見解。
Zhizhen Zhang, Pierre –Nicholas Roy, Lindar F Nazar, Hui Li, Maxim Avdeev et al, Coupled Cation–Anion Dynamics Enhances Cation Mobility in Room-Temperature Superionic Solid-State Electrolytes, JACS, 2019
DOI: 10.1021/jacs.9b09343
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b09343
五、金屬-空氣電池
1. AFM: 二維氮摻雜碳納米管/石墨烯雙功能催化劑用于鋅空電池
陰極電化學氧還原/生成反應(ORR/OER)緩慢動力學是影響金屬-空氣電池充放電速率、容量保持率、能量效率和循環壽命的關鍵因素，因此，開發高效穩定廉價的ORR/OER雙功能催化劑是可充電金屬空氣電池應用研究的一個熱點領域。近日，華中科技大學夏寶玉課題組設計制備了一種金屬-有機框架衍生的二維氮摻雜碳納米管/石墨烯雜化物作為可充電鋅空氣電池的高效雙功能氧電催化劑。
通過分級結構和雜原子摻雜的協同作用，得到的催化劑對ORR/OER電化學反應具有良好的催化活性和耐久性，組裝的可充電鋅空氣電池的高功率密度為253 mW/cm2，比容量為801 mAh/gZn，在電流密度為5 mA/cm2時具有超過3000 h的良好循環穩定性。此外，由這種雜化氧電催化劑組裝的柔性固態可充電鋅空氣電池具有223 mW/cm2的高放電功率密度，可為45個發光二極管供電并為手機充電。該工作對設計用于長壽命金屬空氣電池的高效雙功能氧電催化劑和相關的能量轉換技術具有重要的借鑒意義。
Yangyang Xu, Peilin Deng, Guangda Chen, Jinxi Chen, Ya Yan, Kai Qi, Hongfang Liu, Bao Yu Xia. 2D Nitrogen‐Doped Carbon Nanotubes/Graphene Hybrid as Bifunctional Oxygen Electrocatalyst for Long‐Life Rechargeable Zn–Air Batteries. Advanced Functional Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adfm.201906081
https://onlinelibrary_wiley.xilesou.top/doi/abs/10.1002/adfm.201906081
2. Nano Energy: 具有低充電電壓和長循環壽命的可逆雜化Na-CO2電池
Na-CO2電池由于具有較高的能量密度和較低的原料成本而備受矚目。最近，加拿大西安大略大學的孫學良教授和昆明理工大學的Feng Liang等通過使用Na3Zr2Si2PO12固體電解質作為隔膜、以氮摻雜單壁碳納米管（N-SWCNH）作為正極催化劑、以飽和NaCl溶液作為電解液構筑了一種可逆雜化Na-CO2電池。Na3Zr2Si2PO12陶瓷隔膜不僅具有較高的Na+電導率，而且還可以阻止O2/H2O等雜質與金屬鈉負極的接觸，并且能夠避免金屬鈉負極與正極接觸造成的電池內部短路，從而顯著改善了電池的安全性。
對于N-SWCNH來說，氮元素摻雜在碳材料內部形成了獨特的納米孔結構。這種孔結構一方面為放電產物的積累提供了巨大的比表面積，另一方面也為CO2的吸附和電子轉移提供了豐富的結構缺陷位點，從而有助于提高催化活性和可逆性。更重要的是，NaCl水溶液這種水系電解液能夠促進不導電的放電產物的溶解，極大地加快了充放電反應的動力學。因此，這種Na-CO2電池表現出低至2.26V的充電電壓，在0.1 mA/cm2的電流密度下的電壓極化也只有0.49V。在0.2 mA/cm2的電流密度下其放電比容量高達2293 mAh/g，循環300周后的循環效率仍然保持在68.7%。作者還利用原位拉曼光譜和非原位XRD等手段證實其主要放電產物為NaHCO3和C。
Changfan Xu, Feng Liang, Xueliang Sun et al, Reversible Hybrid Sodium-CO2 Batteries with Low Charging Voltage and Long-life, Nano Energy, 2019
DOI：10.1016/j.nanoen.2019.104318
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519310250?dgcid=rss_sd_all#!
六、其他
1. ACS Nano: 三維單片有機電極
由于很多有機電極材料本征電導率差以及缺乏將導電基底與有機材料有效結合的方法，因此設計具有氧化還原活性有機材料的自支撐電極充滿了挑戰性。單壁碳納米管（SWCNT）氣凝膠具有連續的網絡結構和巨大的比表面積，因而能夠提供三維導電骨架。在本文中，韓國浦項科技大學的Soojin Park與韓國材料科學研究中心的Youngseok Oh等通過將具有豐富氧化還原活性位點的納米尺度酰胺基（IBN）材料涂覆在三維SWCNT骨架上成功地制備單片三維自支撐有機電極。
實際上，這種集成形式的3D單片有機電極可以通過其壓縮形式的電子通路（21μm）維持高電子電導率。在電極表面，這層薄且厚度可控的IBN有機材料層（<8nm）在與輕質導電的三維基底之間存在著強附著力。這就促進了有機電極材料的多電子氧化還原反應，使該電極能夠實現高達1550mAh/g的質量比容量，這對應著2.8 mAh/cm2的高面容量。
Jaegeon Ryu, Soojin Park, Youngseok Oh et al, Three-Dimensional Monolithic Organic Battery Electrodes, ACS Nano, 2091
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07807
2. Adv. Sci.：多孔g‐C3N4和MXene雙約束FeOOH量子點在離子液體中實現出色的能量存儲
贗電容量子點（QD）由于其獨特的納米尺寸效應和表面效應而在超級電容器（SC）應用中具有巨大潛力。然而，它們的贗電容特性被用于具有窄電勢窗口的水性電解質中，從而導致SC的能量密度偏低。近日，江蘇科技大學Chao Yan和中科院蘭州化學物理研究所Xingbin Yan團隊提出了一種基于雙約束FeOOH QD（FQD）的薄膜電極，該薄膜電極在高壓離子液體（IL）電解質中具有優異的贗電容性能。在這種薄膜電極中，FQD穩定地雙重約束在由石墨碳氮化物（g-C3N4）和Ti-MXene（Ti3C2）支撐的二維異質納米空間中。
電位驅動離子積累探測表明，在IL陽離子和具有豐富活性位點的電極表面之間會發生強吸附，從而使薄膜電極中的FQD發生氧化還原反應。此外，多孔g-C3N4和導電Ti3C2分別充當離子通道和電荷轉移途徑，使基于FQDs的薄膜電極在IL電解質中具有優異的電化學動力學。最終作者制備了基于離子凝膠電解質的高壓柔性SC（FSC），其具有較高的能量密度（77.12 mWh cm-3），高功率密度，出色的倍率性能和長期耐用性。這樣的FSC可以有效地為各種可穿戴和便攜式電子設備供電。
Minjie Shi, Peng Xiao, Junwei Lang, Chao Yan, Xingbin Yan. Porous g‐C3N4 and MXene Dual‐Confined FeOOH Quantum Dots for Superior Energy Storage in an Ionic Liquid. Adv. Sci., 2019.
DOI：10.1002/advs.201901975
https://doi.org/10.1002/advs.201901975
