金屬離子電池前沿研究成果精選【第6期】

1、Nat. Commun.：不破壞鋰離子電池結構的儲能機制和組裝缺陷的檢測新方法

近日，美國紐約大學的Alexej Jerschow（通訊作者）等人，找到了一種不破壞電池結構，確定電池是否存在組裝問題，及儲能時鋰離子的嵌入水平的定量測試方法。回答了什么時候二次電池的容量會減少，原因是什么。一直以來這個問題都很難回答，可是這個問題是商業電池、電子器件和電儲能設備的核心。解決這個問題的困難是不分解和破壞電池，獲得的信息量太少。作者證明了電池中磁場微小改變的測量，可以用來評估摻入電極材料中的鋰的含量，診斷由某些錯誤組裝產生的電池缺陷。

文章鏈接：Rechargeable lithium-ion cell state of charge and defect?detection by in-situ inside-out magnetic resonance imaging (Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04192-x)

2、ACS Nano：Li-O₂電池中，二維磷化氫衍生物負極材料

Li-O₂電池是理想的電子器件，因為其具有高的能量密度。Li枝晶的生長和電解液的分解是電池實際應用急需解決的問題。近日，首爾大學的Kyu Tae Lee和東國大學的Young-Kyu Han（共同通訊作者）等人，考慮到這個現象，制備了一種具有電化學活性的二維磷化氫衍生的磷化鋰。它可以作為鋰金屬的保護層，這層納米尺寸的保護層能夠抑制電解液的分解和鋰枝晶的生長。原因是保護層的電化學活性具有熱穩定的特點。電解液的分解被抑制，原因是磷化鋰的氧化還原電位高于電解液的分解電位。磷化鋰上的鋰的熱力學性能不利的，這能夠抑制循環過程中，鋰枝晶的生長。因此，納米磷化鋰保護層，能夠提高不同電解液（含有雙（三氟甲磺酰基）亞胺鋰的N，N-二甲基乙酰胺溶液）中，鋰對稱電池和Li-O₂電池的循環性能。非原位分析和理論計算為這種現象提供了數據支持。

文章鏈接：Two-Dimensional Phosphorene-Derived Protective Layers on a Lithium Metal Anode for Lithium-Oxygen Batteries (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b00348)

3、Joule：高面積能量密度的3D微鋰離子電池

三維（3D）微電池為制備在尺寸上可移動的電站提供了可能。這與執行器、傳感器和其他網絡連接器件不同。為了克服微結構組裝的問題，近日，加利福尼亞大學的Bruce Dunn（通訊作者）等人，借鑒半導體加工的方法，找到了一種全新的組裝路線。硅化鋰作為負極材料的使用能夠保持合理的體積變化。因此硅納米簇的改變主要體現在充放電過程中。SU-8光阻材料的光學圖像，通過控制高比表面積硅納米簇周圍的固態電解質涂層獲得。二次3D微電池是3 mm×3 mm，在0.66 mA cm^-2的電流密度下，循環100圈后，具有面積容量接近2 mAh·cm^-2。結合半導體的加工過程和光致變色電解質的3D微電池具有很高的應用價值。

文章鏈接：High Areal Energy Density 3D Lithium-Ion Microbatteries (Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.04.002)

4、Nat. Commun.：在鉀離子電池中，高氮摻雜的碳納米纖維具有超高的倍率性能和循環性能

鉀離子電池具有替代鋰離子電池的潛力。但是，當前的電極材料的鉀離子動力學緩慢，導致獲得快速充放電和長循環壽命的電池非常困難。近日，德國的伊爾姆瑙理工大學的Yong Lei和中國上海大學的吳明紅（共同通訊作者）等人，報道了一種軟碳電極材料。這種材料具有高的氮含量的納米纖維，具有超高的倍率性能和循環性能。在25 mA g^-1時，其比容量高達248 mAh·g^-1，在20 A g^-1時，其比容量高達101 mAh·g^-1，在2 A g^-1循環4000圈后，其比容量保持在146 mAh·g^-1。表面的鉀貢獻是通過動力學分析和理論計算證明。這種材料和普魯士藍組裝成全電池后，在0.2 A g^-1時，比容量為195 mAh·g^-1。本文的工作對尋找高性能的鉀存儲材料具有一定的參考價值。

文章鏈接：Highly nitrogen doped carbon nanofibers with superior rate capability and cyclability for potassium ion batteries (Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04190-z)

5、Nat. Commun.：納米吸管的強毛細、化學吸附和電催化作用對柔性鋰硫電池的影響

高能量密度和長循環壽命的柔性鋰硫（Li-S）電池的發展，可以用在柔性的、輕便的和可穿戴器件上。但是，柔性Li-S電池的發展面臨柔性差、含硫正極的電池容量衰減快。近日，中國南京大學的金鐘（通訊作者）等人，找到了一種獨立的、柔性的硫主體，可以同時滿足柔性、穩定性和電池中容量保持的要求。這種硫材料是碳納米棒增強的CoS納米吸管（CNTs/CoS-NSs）。CNTs/CoS-NSs具有較大的內部空間和較高的導電性，能夠提高硫的負載量和效率。CNTs/CoS-NSs對硫的毛細效應和化學吸附作用，通過降低硫的穿梭效應，提高多聚硫的氧化還原動力學性能證明。Li-S電池中，負載硫的CNTs/CoS-NSs（S@CNTs/CoS-NSs）正極材料具有超高的儲能性能，包括：高的放電比容量和倍率性能（在0.5 C時，比容量為1045 mAh·g^-1；在5.0 C時，比容量為573 mAh·g^-1）和循環性能。軟包Li-S電池，采用S@CNTs/CoS-NSs正極材料時，彎曲時表現出良好的柔韌性和穩定性。

文章鏈接：Strong Capillarity, Chemisorption, and Electrocatalytic Capability of Crisscrossed Nanostraws Enabled Flexible, High-Rate, and Long-Cycling Lithium–Sulfur Batteries (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/ acsnano. 8b01763)

6、Nano Energy：液態負極材料的二次鈉-空氣電池，具有低電壓間隙和高安全性

鈉-空氣電池在儲能器件的發展受到了抑制，目前仍然遠遠滿足不了電子器件的應用需求。近日，中國昆明理工大學的Yao Kang和加拿大西安大略大學的Xue-liang Sun（共同通訊作者）等人，發現了一種NASICON結構的固態電解質和液體負極材料組裝的鈉-空氣電池。這個電池具有低的電壓間隙、可循環性能和高穩定性能。液態負極材料是將鈉溶解到聯苯和醚的混合溶液中獲得。因此，液態負極材料具有優異的導電性和電池性能。在0.1 mA·cm^-2的電流密度下，電池的電壓間隙是0.14 V，放電電壓高達2.88 V，這導致高大95.3 %往返效率。另外，由于在液態電極和固態電解液之間，液態負極的高離子導電性和低的界面阻力，因此電池具有目前已報到堿土金屬電池最高39 mW·cm^-2的功率密度。電池同時具有很好的循環性能、能量效率沒有明顯的降低。液態負極材料和水之間沒有強反應，這有助于提高電池的安全性。液態負極的高導電性可以應用到其他鈉電池中。因此，本文發現了一種新型的、安全性高的液態負極材料，這是下一代儲能技術的有效材料。

文章鏈接：A liquid anode for rechargeable sodium-air batteries with low voltage gap and high safety (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.04.074)

7、Nano Energy：構建新型“氣泡納米棒”混合纖維結構實現焦磷酸鹽基柔性電極的高效儲鈉/鋰能力

電活性材料在多功能結構材料中，可以觸發能源器件的革新。近日，哈爾濱師范大學鄧超和哈爾濱工程大學張森（共同通訊作者）等人，首次設計并構建了一種基于焦磷酸鹽的“氣泡納米棒”分級混合纖維，應用到鋰電和鈉電中。中空的球中含有焦磷酸納米級晶體和碳基材料均勻的分布在多孔碳基纖維上。“氣泡納米棒”分級混合纖維不僅可以提高骨架的連續性提高電子傳輸和防止晶體結構破壞，因此有助于離子傳輸和結構的穩定性。兩種焦磷酸鹽（Na_3.12Fe_2.44(P₂O₇)₂和Li₂FeP₂O₇）在本文中用來制備“氣泡納米棒”分級混合纖維，它比報道的文獻具有更好的倍率性能和長的循環性能。在20和3 C下，循環600圈后，采用兩種焦磷酸鹽（Na_3.12Fe_2.44(P₂O₇)₂和Li₂FeP₂O₇）制備的材料比容量能夠分別保持在94.4 %和95.1 %。因此，本文不僅介紹了實現優異的離子插層化學的高效復合結構，而且為制造高性能柔性電極提供了幫助。

文章鏈接：“Bubble-in-nanorod” hierarchical hybrid fiber: A highly-efficient design for pyrophosphate-based freestanding cathodes towards fast sodium/lithium intercalation (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.008)

8、Adv. Energy Mater.：離子液體和有機離子塑料晶體：具有安全、高性能改進的電解質在儲鈉能的應用

電解液含有目標離子鹽配對的離子液體溶劑，已經在鋰電池中廣泛研究，在鈉化學中，作為改進電解質而受到關注。近日，澳大利亞的迪肯大學的Andrew Basile和莫納什大學的Maria Forsyth（共同通訊作者）等人，研究了離子液體電解質、其固態類似物和有機離子塑料晶體的獨特性質。分析了結構和性能的關系、鹽含量的影響、正負離子的功能性、電化學性能和熱穩定性。含有有機溶劑的離子液體電解液的使用和水添加劑的作用。本文介紹的大部分文獻都涵蓋Na⁺濃度大于50 mol ％的鈉電解質研究，標記為超濃縮電解質，這些電解質對于器件性能有益和提高目標離子遷移率。在Na-O₂中，離子液體對氧還原反應的作用可以與常規Li離子相媲美。在放電過程中，了解對活性物質的成核和性質。另外，本文也討論了典型鈉陽極與離子液體電解質之間相互作用，對電極-電解質界面的影響。

文章鏈接：Ionic Liquids and Organic Ionic Plastic Crystals: Advanced Electrolytes for Safer High Performance Sodium Energy Storage Technologies (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703491)

9、Nat. Commun.：含有雙載體脫嵌的二次鋅/釩酸鈉水溶液電池

二次水系鋅離子電池具有高的安全性和成本低的特點，因此是理想的儲能器件。但是，滿足高容量和高循環性能的電極材料較少，儲能機制也不健全。近日，中國南開大學的牛志強（通訊作者）等人，報道了一種高循環的鋅/鈉釩酸鹽體系。釩酸鈉的納米帶作為正極材料和硫化鋅水溶液中添加硫化鈉作為電解液。這與僅采用鋅離子嵌入/脫出的鋅離子電池不同。因為鋅/釩酸鈉電池，同時具有質子和鋅離子嵌入/脫出過程，因此提高了電池性能。例如其高可逆容量為380 mAh·g-1，在1000次循環中，容量保持率為82％。于此同時，準固態鋅釩酸鈉水合物電池也是柔性儲能裝置的理想選擇。

文章鏈接：Aqueous rechargeable zinc/sodium vanadate batteries with enhanced performance from simultaneous insertion of dual carriers (Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04060-8)

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10、ACS Nano：納米多孔硅的制備新方法及其鋰離子電池應用

在下一代的鋰離子電池中，硅是最好的負極材料之一。綠色的、簡易的和可控的Mg₂Si真空蒸餾是合成納米硅的方法。采用真空蒸餾制備納米硅的有益處是廢料鎂可回收再利用。納米多孔硅的尺寸可以通過蒸餾溫度和時間控制。近日，中國山東大學的馮金奎（通訊作者）等人，發現在800℃，0.5小時蒸餾后，可獲得在200 mA g^-1的電流密度下，循環100圈后的放電比容量高達2034 mAh g^-1；在1000 mA g^-1的電流密度下，循環400圈后，比容量高達1180 mAh g^-1；在5000 mA g^-1的電流密度下，比容量高達855 mAh g^-1。其電化學性能的貢獻與多孔結構有關。這種綠色的、可持續的和可控的方法，可能為高性能硅負極的商業化提供途徑，也可以促進其他納米多孔材料的發展。

文章鏈接：Green, Scalable, and Controllable Fabrication of Nanoporous Silicon from Commercial Alloy Precursors for High-Energy Lithium-Ion Batteries (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b02219)

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11、Energ. Environ. Sci.：高質量能量密度的芯-雙殼電極柔性鋰離子電池??

柔性鋰離子電池（FLIBs）的應用需要較高的能量密度。FLIBs的設計與電極材料和電池的自重相關。但是，柔性基體的容量較低，基體和活性電極的界面性能較差。近日，中國中山大學的童葉翔和廣州大學的劉兆清（共同通訊作者）等人，設計提高了柔性基體（碳布，CC）的導電性和比表面積，進而提高容量。在碳布上長NiCo₂O₄納米線，作為高能量密度的FLIBs的負極材料。理論計算和原位分析，用來觀察柔性基體中鋰離子的傳輸。這種全柔性鋰離子電池具有高重量能量密度（314 Wh kg^-1），大的面積為39.0 cm²和281 mg的總重量。它具有優異的柔韌性和良好的儲存性能，在未來柔性儲能設備中很有潛力。

文章鏈接：Achieving high gravimetric energy density for flexible lithium-ion batteries facilitated by core–double-shell electrodes (Energ. Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/C8EE00522B)

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