什么樣的電池成果才能登頂《Nature》大子刊，了解一下！

自1869年創刊以來，《Nature》至今已有153年的歷史，作為世界上最負盛名的科學雜志之一，其地位早已冠絕天下，可能唯有《Science》與之一戰。為了更好地傳遞前沿科學，《Nature》針對不同特定領域又陸續推出了數十本子刊。這些子刊“含著金湯匙”而生，天生注定備受關注，當然要求也十分嚴苛。作為其中的大子刊，Nature Energy、Nature Materials和Nature Nanotechnology?近些年的影響因子都已超過30，能夠登頂其中的研究工作大多十分出色。那么今天，筆者就來盤點一下近期登上這三大子刊的電池成果，以供大家參考！

1 Nature Energy：用于大眾市場電動汽車的熱調制磷酸鐵鋰電池

對高能量密度的追求促使電動汽車電池從早期使用磷酸鐵鋰（LFP）正極發展到日益富鎳的三元層狀氧化物。然而，LFP電池由于其無與倫比的安全性以及低成本和無鈷的特性，不可能被放棄。在這里，美國賓夕法尼亞州立大學王朝陽院士展示了一種熱調制LFP電池，該電池在60°C左右工作，可在全氣候條件下實現10分鐘的快速充電，能夠提供足夠的巡航里程，基本上避免電動汽車的續航焦慮，有望成為大眾市場電動汽車的完善動力系統。此外，該研究還發現，高溫下有限的工作時間為使用低表面積石墨提供了機會，從而有望將電動汽車的壽命延長到200萬英里以上。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-020-00757-7

2 Nature Energy：非鋰離子電池的生產及其與鋰離子電池生產基礎設施的兼容性

鋰離子電池是目前最先進的電化學儲能技術，因為它在性能和成本之間有著良好的平衡。在電動汽車市場預期增長的推動下，該技術的電池生產能力正在不斷擴大。然而，出于對更好性能的需求，特別是更高的能量密度和更低的成本，已經引發了對其它電池技術的研究，如固態鋰金屬電池、鋰硫電池、鋰空氣電池以及鈉離子電池等。目前，這些技術在材料化學和電池設計方面正在進行深入的研究。在這篇綜述中，德國明斯特大學Richard Schmuch、Fabian Duffner等人擴展了這個領域的現有知識。從市場前景和技術差異分析入手，討論了這些技術的制造工藝。對于每一項技術，分析了正負極生產、電池組裝和調配。然后，評估了每種技術與鋰離子生產基礎設施的制造兼容性，并討論了其對加工成本的影響。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-020-00748-8

3 Nature Energy：固態電池薄而堅固的電解質的加工

高能量密度固態電池（SSBs）的廣泛應用需要具有成本效益的工藝和集成厚度與傳統鋰離子電池聚合物隔膜大致相同的固態電解質。在這篇綜述中，美國麻薩諸塞州理工大學Jennifer L. M. Rupp重點討論了SSBs加工的研究現狀以及最近的成本計算，并從厚陶瓷和薄陶瓷的性能參數方面比較了SSBs氧化物電解質材料和工藝的選擇。作者認為，對于未來的SSBs設計來說，除了Arrhenius鋰輸運的經典圖和電化學穩定性窗口外，至關重要的是需要掌握氧化物固態電解質（即鋰磷氧氮化物、鈉超離子導體、鈣鈦礦和石榴石）的熱處理預算和相關相的穩定性。過渡到厚度接近鋰離子電池隔膜的SSBs氧化物電解質膜可以為低溫陶瓷制造和潛在的成本降低提供充足的機會。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41560-020-00759-5

4 Nature Materials：通過鋰取代釋放O3型鈉3d層狀氧化物中的陰離子氧化還原活性

鈉離子電池由于具有可持續性，因此在特定應用中可以成為鋰離子技術的誘人替代品。然而，設計高能量密度和濕氣穩定的鈉基正極仍然具有挑戰性。近日，法國巴黎索邦大學Jean-Marie Tarascon等人報道了一種具有陰離子氧化還原活性的O3型NaLi_1/3 Mn_2/3O₂正極材料，該材料是通過仔細調節合成條件和化學計量比并改變陶瓷工藝獲得的。該正極材料顯示出190 mAh g^-1的可逆容量，與迄今為止報道的許多其他陰離子氧化還原層狀氧化物不同，O3-NaLi_1/3 Mn_2/3O₂電極在循環時沒有顯示出明顯的電壓衰減。通過密度泛函理論進一步闡明了層間和層內3d陽離子遷移在陰離子氧化還原電極主導電壓衰減中的作用。這種材料的另一個實用價值來源于它的水分穩定性，因此便于處理和電極加工。總的來說，這項工作為設計高性能鈉電極提供了未來的方向。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-020-00870-8

5 Nature Materials：重新審視金屬氟化物在鋰離子電池中的鋰化機制

金屬氟化物是一種很有前景的鋰離子電池正極材料，由于被廣泛認為在鋰化時會發生重構相變，因此已將其歸類為轉化材料。近日，英國劍橋大學Clare P. Grey、Xiao Hua等人通過使用X射線全散射和電子衍射技術，結合密度泛函理論計算，在多個長度尺度上測量FeF₃的結構，并通過回顧先前FeF₂和CuF₂的實驗研究，對這一觀點提出了挑戰。金屬氟化物的鋰化作用由擴散控制的置換機制所主導，并且在金屬氟化物F^?子晶格和LiF子晶格之間建立了清晰的拓撲關系。FeF₃的初始鋰化在顆粒表面形成FeF₂，以及陽離子有序和堆積無序相A-Li_xFe_yF₃，該相在結構上與α-/β-LiMn²⁺Fe³⁺F₆相關，并且有可能先形成B-Li_xFe_yF₃，然后形成C-Li_xFe_yF₃，最后再形成LiF和Fe。FeF₂和CuF₂的鋰化導致FeF₂/CuF₂和LiF之間的緩沖相。由此產生的原理將有助于更廣泛的同構金屬氟化物的未來發展。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-020-00893-1

6 Nature Materials：利用X射線計算機斷層掃描技術將固態電池中的空隙及相間演化與電化學聯系起來

盡管固態電池工程取得了進展，但與固液界面相比，人們對控制電化學行為和固液界面穩定性的化學機械現象的理解仍然有限。在這里，美國佐治亞理工學院Matthew T. McDowell利用原位同步輻射X射線計算機斷層掃描技術來研究鋰/固態電解質界面在電池循環過程中的演變，揭示了空隙形成、相間生長和體積變化之間復雜的相互作用對電池性能的影響。鋰剝離過程中的空隙形成在對稱電池中被直接觀察到，鋰和固態電解質（Li₁₀SnP₂S₁₂）之間界面上驅動電流收縮的接觸損失被量化，這兩者被認為是導致電池失效的主要原因。研究發現，界面相在充電時具有氧化還原活性，并且由于電極的偏摩爾體積不匹配而發生整體體積變化。這些結果提供了化學機械現象如何影響電池性能的見解，從而促進了固態電池的發展。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-020-00903-2

7 Nature Nanotechnology：鋰金屬負極SEI中LiH和LiF的識別

全面了解固態電解質界面（SEI）的組成對開發基于鋰金屬負極的高能電池至關重要。一個特別有爭議的問題涉及在SEI中LiH的存在。近日，美國布魯克海文國家實驗室Xiao-Qing Yang、Enyuan Hu、西北太平洋國家實驗室Jie Xiao利用同步輻射X射線衍射和對分布函數分析來識別和區分鋰金屬負極SEI中兩個難以捉摸的組分LiH和LiF。這項研究證實LiH是SEI的大量組成部分，并討論了其在文獻中被誤認為LiF的可能性。此外，研究發現SEI中的LiF具有與體相LiF不同的結構特征，包括較大的晶格參數和較小的晶粒尺寸（<3nm）。這些特性有利于Li⁺的傳輸，并解釋了為什么離子絕緣體（如LiF）被認為是SEI的有利成分。最后，對分布函數分析揭示了SEI中的關鍵非晶成分。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41565-020-00845-5

本文由月輪供稿。

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