20190605 Joule：基于醚的局部高濃度電解質可實現Li || NMC811電池的高壓（4.5 V）循環
可充電Li金屬電池（LMB）為需要高能量密度電池系統的應用提供了很好的機會。西北太平洋國家實驗室許武和張繼光團隊報道了一種與常識相反的現象，證明了一種基于醚的局部高濃度電解質（LHCE）可以在4.4和4.5 V下通過形成保護性富含LiF的相，來有效地提高富Ni的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）正極的穩定性。這種效果與該電解質中優異的Li穩定性相結合，能夠在極具挑戰性的條件下顯著改善Li || NMC811電池的循環性能。在具有極其有限量的Li負極和電解質下，LMB在150個穩定循環中可以保持80％以上的容量。
Xiaodi Ren, Lianfeng Zou, Xia Cao, Mark H. Engelhard, Wen Liu, Sarah D. Burton, Hongkyung Lee, Chaojiang Niu, Bethany E. Matthews, Zihua Zhu, Chongmin Wang, Bruce W. Arey, Jie Xiao, Jun Liu, Ji-Guang Zhang, Wu Xu, Enabling High-Voltage Lithium-Metal Batteries under Practical Conditions. Joule, 2019.
DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.006
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30218-1
20190605 ACR：層狀過渡金屬氧化物中的Ni/Li紊亂的電化學影響，起源和控制
層狀鋰過渡金屬（TM）氧化物，特別是Li(NixMnyCoz)O2（NMC，x+y+z=1）具有增加能量密度和壽命，降低成本以及提高安全性的潛力。為了進一步提高Li存儲容量，人們開始關注開發富Ni的層狀TM氧化物。然而，當Ni含量增加到高值時，由于八面體位置中的Ni/Li交換而導致的結構紊亂成為關鍵問題，因為它對Li擴散性、循環穩定性、首效和整體電極性能造成不利影響。越來越多的努力致力于通過減少陽離子混排來改善層狀TM氧化物的電化學性能。深入了解Ni/Li無序化對層狀TM氧化物電化學特性的影響及其來源，以加速未來高性能層狀TM氧化物的發展具有重要意義。
北大深研院潘峰課題組首先介紹了LiNiO2中的Ni/Li無序化及其實驗表征，并分析其對層狀TM氧化物電化學特性的影響。Li層中的反位Ni可以通過阻礙Li離子傳輸來限制倍率性能，還會通過在結構中誘導各向異性應力而降低循環穩定性。然而，反相Ni離子并不總是給電化學性能帶來弊端，包括該課題組之前的工作在內的一些研究發現，它可以改善富Ni NMC材料的熱穩定性和循環和結構穩定性。繼而該綜述討論了Ni/Li交換的驅動力和動力學優勢，并得出結論：陽離子尺寸的空間效應和TM陽離子之間的磁相互作用是促進合成和電化學循環過程中Ni/Li交換的兩個主要驅動力，此外，Ni2+從TM層中的3a位置遷移到Li層中的3b位點的低能壘進一步提供了動力學優勢。
基于這種理解，研究者通過三種主要方式回顧了控制Ni / Li無序化的進展：（i）通過離子交換抑制空間效應的驅動力; （ii）通過陽離子取代調節相互作用; （iii）動力學控制Ni遷移。
最后，該綜述簡要介紹了具有受控Ni/Li無序化的層狀TM氧化物的未來發展。
Jiaxin Zheng, Yaokun Ye, Tongchao Liu, Yinguo Xiao, Chongmin Wang, Feng Wang, Feng Pan*, Ni/Li Disordering in Layered Transition Metal Oxide: Electrochemical Impact, Origin, and Control, Acc. Chem. Res., 2019.
DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00033
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.9b00033
20190613 AM：激活六氰合鐵酸鐵的C-配位鐵用于鋅混合鋰離子電池-創紀錄的循環性能
普魯士藍類似物（PBA）型金屬六氰基鐵酸鹽被認為是鋅電池（ZB）的重要正極。然而，由于Fe與被包圍的氰基團之間的緊密配合的相互作用引起的空間阻力，以及較差的導電性，多價鐵Fe(III/II)的氧化還原活性位點只能非常有限地被活化并利用，造成這些PBA型正極，例如六氰基鐵酸鐵（FeHCF）都具有短暫的壽命和較差的倍率性能。
香港城市大學支春義和中科院過程工程研究所Shimou Chen和Suojiang Zhang團隊發現高壓掃描可以有效地激活ZB中FeHCF正極中的C配位Fe。隨著2.3V電壓掃描的進行，Zn-FeHCF混合離子電池的容量逐漸增加，這是由于在≈1.5V高放電電壓平臺的貢獻增加所致，該電壓平臺對應于與自由基團C原子配位的低自旋Fe（III）的還原。非原位XPS顯示在2.3V電壓掃描下Fe(III)/Fe(II)比率逐漸降低，證明了低自旋Fe的活化。
作為這種活化的另一個結果，Zn-FeHCF混合鋰離子電池實現了在8 A g-1（對應于≈97C）的超高電流密度下保持53.2％低電流密度容量的優異倍率性能，在超長循環分別達到5000和10000之后，實現了創紀錄的容量保持率（82％和73％）。優異的倍率性能源于在高電壓下活化的氧化還原活性物質（低自旋Fe）的增加；突出的循環性能源于這種激活策略驅動了電化學結構穩定性，使其具有高度可逆的鋅和鋰離子脫嵌行為。
最后，研究者使用凝膠電解質制造了一種柔性防凍的固態Zn-FeHCF電池，該電池可以在-15°C下工作且保持柔性特性。
Qi Yang, Funian Mo, Zhuoxin Liu, Longtao Ma, Xinliang Li, Daliang Fang, Shimou Chen, Suojiang Zhang, Chunyi Zhi, Activating C‐Coordinated Iron of Iron Hexacyanoferrate for Zn Hybrid‐Ion Batteries with 10 000‐Cycle Lifespan and Superior Rate Capability, Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201901521
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901521
20190613 Nature Commun.：調控石墨中的鈉嵌入實現高比能高功率鈉離子電池
共嵌入反應使得石墨電極成為富有前景的鈉離子電池負極材料。然而，石墨負極嵌鈉的氧化還原電勢較高，這嚴重限制了鈉離子全電池能量密度的提高。在本文中，韓國國立首爾大學Won Mo Seong和Kisuk Kang 等研究了影響石墨共嵌入反應電勢的因素，他們發現通過調控二元石墨共嵌入化合物的相對穩定性和電解液中溶劑活度可以將該電勢擴展到0.38V。他們通過優化電解液將其與Na1.5VPO4.8F0.7正極匹配從而證明了石墨負極在鈉離子電池中的可行性。這種鈉離子全電池的工作電壓提高到3.1V，基于正負極活性物質計算的功率密度高達3863W/Kg，在長達1000周的長期循環過程中平均每周容量衰減率僅為0.007%。這是文獻報道過的最優鈉離子電池性能，為鈉離子電池在規模儲能領域的應用指明了方向。
Zhenglong Xu, Won Mo Seong, Kisuk Kang et al, Tailoring sodium intercalation in graphite for high energy and power sodium ion batteries, Nature Communictions, 2019
https://www.nature.com/articles/s41467-019-10551-z
20190614 Adv. Sci.：鋰離子電池負極SEI界面納米尺度的原位力學分析
界面分解產物所形成的SEI膜對于鋰離子電池至關重要。若想獲得具有更高倍率、更長壽命和更高安全性的鋰離子電池體系，需要對SEI膜有關行為有著深入的了解和精準的調控。在本文中，德國馬普研究所Hsiu-Wei Cheng 和Markus以及比利時哈賽爾特大學Renner等通過使用電化學表面力學儀對SEI膜的生長進行了調控并進一步研究了其機械性質。他們將該方法引入到金模型體系中并對SEI膜生長各個階段形成的薄膜進行了分析。該方法為電化學界面或者人工SEI膜的研究與分析提供了獨特的工具。
Boaz Moeremans, Hsiu-Wei Cheng, Markus Valtiner, Frang Uwe Renner et al, In Situ Mechanical Analysis of the Nanoscopic Solid Electrolyte Interphase on Anodes of Li‐Ion Batteries, Adv, Sci., 2019
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201900190
20190612 EES：鋰硫電池中Li2S/Li2S2生長對于電流密度的依賴
鋰硫電池中Li2S/Li2S2(簡記為Li2S1/2)的沉淀反應對于實現較高的硫利用率至關重要。然而，人們對于處于工作狀態中的電池里的Li2S1/2沉淀反應的動力學效應知之甚少。在本文中，清華大學張強教授與北京理工大學Jiaqi Huang 以及曲阜師范大學Wancheng Zhu等對鋰硫電池中Li2S1/2成核與生長過程對于電流密度的依賴行為進行了深入研究并將這種依賴關系用作高載量高硫含量鋰硫電池的設計原則。一般來說，Li2S1/2的成核密度與電流密度的三分之二次方成正比，從高電流密度到低電流密度的轉變改變了Li2S1/2從表面沉積到溶液介導生長的沉積路徑。此外，在常規的醚類電解質中多硫化物中間體和Li2S1/2的流動性也限制了其在溶液中的生長速度。這種依賴關系為設計輕質、高比表面積的硫正極提供了參考，研究人員利用這種依賴關系設計了硫含量達到93.4 wt.%且具有高容量（1269 mAh /g）的鋰硫電池。
Long Kong, Jiaqi Huang, Wancheng Zhu, Qiang Zhang et al, Current-Density Dependence of Li2S/Li2S2 Growth in Lithium–Sulfur Batteries, Energy Environ. Sci., 2019
DOI: 10.1039/C9EE01257E
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/EE/C9EE01257E#!divAbstract
20190612 Joule：顛覆性認知！一種半液態鋰金屬負極！
固態電解質被認為是新一代高比能鋰金屬二次電池的關鍵組分。然而，將鋰金屬與固態電解質適配時兩種固相接觸造成的頑固界面問題嚴重限制了固態電解質的使用。為了解決這個問題，美國卡耐基梅隆大學Whitacre與Krzysztof等通過將室溫下可流動的半液態鋰金屬負極與固態電解質適配而創造了一種懸浮的固-液電解質界面。這種半液態鋰金屬負極是由均勻分散在雙重導電聚合物基質中的鋰微米顆粒構成的。當與石榴石型固態電解質組成對稱電池時，半液態鋰金屬負極表現出穩定的鋰沉積/剝離行為，其在1mA/cm2的電流密度和1mAh/cm2的沉積量下能夠保持低過電勢循環超過400h。這項工作相比之前基于固態鋰金屬負極的工作具有重要的突破意義，該工作中使用的方法為構建可靠的堿金屬基二次電池提供了全新的解決方案。
Sipei Li，Jay F. Whitacre, Krzysztof Matyjaszewski et al,Joule,2019
DOI:10.1016/j.joule.2019.05.022
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30265-X?rss=yes
20190613 ESM：人工有機層重排SEI助力穩定鋰金屬負極
金屬鋰在鋰基可充二次電池中既有最高的理論比容量。然而，鋰金屬負極在循環過程中形成的鋰枝晶會造成容量衰減甚至災難性的內部短路，這嚴重限制了鋰金屬負極的實際應用。在本文中，中國清潔和低碳能源研究所Danmiao Kang 和美國NICE能源研究中心Lemmon等通過簡單的金屬鋰與不同端基醇類之間的化學反應在鋰金屬表面構筑了一層保護層。所形成的烷氧化鋰保護層在電化學循環過程中降低了界面阻抗和鋰沉積過電勢。研究人員發現該保護層的效果與烷基氧化鋰的厚度和碳鏈長度密切相關。在0.5mA/cm2的電流密度下，該保護層將對稱電池中的鋰沉積過電勢從0.19V降至0.06V。他們采用原位光學手段發現相比未經處理的鋰金屬負極，具有保護層的鋰金屬負極在玄幻過程中的體積膨脹從30%降至10%。該工作為高比能二次鋰電池的發展提供了一條實際可行的道路。
Danmiao Kang, John. P. Lemmon et al, Rearrange SEI with artificial organic layer for stable lithium metal anode, Energy Storage Materials, 2019
DOI: 10.1016/j.ensm.2019.06.014
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719304349?dgcid=rss_sd_all#!
20190610 Joule：柔性固態液流電極用于高能量可擴展儲能
液流電池能夠實現獨立地擴展功率和能量，且低成本材料可用于大規模儲能。然而，當在混合系統（鋅或鋰金屬）中使用固態電極時，它們具有低能量密度和差的可擴展性。香港中文大學盧怡君團隊打破泵送流體的慣例，提出并展示了一種新的液流電池設計，其通過由高能量密度固態電極材料（柔性固態液流電極）制成的柔性電極帶的旋轉來輸送活性材料，使得在水系和非水系體系中都具有穩定的電化學和力學性能。通過這種策略，研究者展示了一種完全可擴展的水系固液混合液流電池，其使用磷酸鋰鈦（LTP）柔性負極帶與碘化鋰（LiI）正極電解液耦合。這種循環柔性固態電極的策略可以容易地應用于現有的固液混合液流電池（例如，Zn-I2，Zn-Br2，Li-I2，Li-多硫化物等），并且允許多種類型的液流電池平臺中的固體電極材料不受溶解度或可伸縮性的限制。
Zengyue Wang, Long-Yin Simon Tam, Yi-Chun Lu, Flexible Solid Flow Electrodes for High-Energy Scalable Energy Storage. Joule, 2019.
DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.015
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30258-2
20190611 AM綜述：用于能源材料與器件的原位透射電子顯微鏡
二次電池、燃料電池和太陽能電池等能源器件是推動可再生、移動便攜和電氣化未來的核心。為了促進這些儲能器件的發展，人們需要對復雜的化學反應、材料轉變和與能量轉換過程相關的電化學反應有深入的了解。原位透射電子顯微鏡由于可以在原子尺度上實時觀察這些復雜的電化學反應歷程因而成為研究儲能器件反應機理的有力工具。在本文中，深圳大學Yumeng Shi和燕山大學Jianyu Huang以及美國加州大學Yu Huang 和Xiangfeng Duan 等對近幾年來原位透射電鏡在能源材料和器件方面的進展進行了概括總結。文章首先回顧了TEM納米室從開孔結構到閉孔結構最后到全孔結構的演變過程。然后，作者探討了在實際操作環境中對可充電離子電池進行的原位TEM的研究，接著又將原位TEM應用于直接觀察質子交換膜燃料電池中電催化劑的形成、演變和降解，并對新能源材料（如用于質子交換膜燃料電池的鈣鈦礦）進行了基礎研究。最后，文章介紹了環境TEM和低溫TEM在探測清潔能源材料方面的最新進展，并討論了能源材料和器件原位透射電鏡研究的新機遇和挑戰。
Zheng Fan, Yumeng Shi, Jianyu Huang, Yu Huang and Xiangfeng Duan et al, In Situ Transmission Electron Microscopy for Energy Materials and Devices, Advanced Materials, 2019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900608
