六大类电池前沿精选66篇丨1223-0112
纳米人 2020-01-15

现整理自20191223至20200112日的电池领域成果,目录如下:

一:碱离子电池

二:金属-硫电池

三:锂/镁/锌金属

四:电解质

五:空气电池

六:电容器

 

纳米人-凯发k8国际


1. acs energy letters: 单一框架集成多电子氧化还原活性中心助力高性能有机锂电正极

有机正极材料是发展高比能高功率锂离子电池的希望所在。然而,有机正极材料中的能量储存十分依赖单一官能团的电荷转移,所以要么储锂电位低要么储锂容量低。最近,美国马里兰大学的王春生教授乔治梅森大学的chao luo等报道了一种有机锂电正极材料结构设计和性能优化的新方案。他们成功地将三种不同的有机官能团引入到同一个二硫酮框架中实现了其储锂性能的飞跃。

 

其中,-s-官能团将其氧化还原电位提升至3.0v,而c=o和氰根则保证整个有机框架结构中存在三电子的氧化还原中心。该材料作为锂离子电池正极材料能够在0.5c下释放出高达270.2mah/g的比容量且能够稳定循环300周。即便在5c的高倍率下,该材料循环1000周后仍然有161.5 mah/g的放电容量。这种高容量、高功率、稳定的有机正极材料为发展新型锂离子电池体系提供了新的选择。


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chunyu cui, chunsheng wang, chao luo et al,integrating multiredox centers into one framework for high-performance organicli-ion battery cathodes,acs energy letters, 2019

doi: 10.1021/acsenergylett.9b02466

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02466

 

2. small:微球状sio2/mxene复合材料,为锂离子电池提供高性能负极

石墨负极的理论容量较低(372 mah g−1),加之其低电位(≈0.05 v vs li/li )导致的过充问题,阻碍了锂电池的实际应用。硅(si)基负极和二氧化硅(sio2)基负极因其高的比容量、中等的工作潜力和丰富的储量,作为替代石墨的有前途的候选负极受到了广泛的关注。北京理工大学的吴伯荣团队为了解决二氧化硅(sio2)材料不可忽略的体积膨胀和固有的电子导电性差的问题,设计了微球状sio2/mxene复合材料,并通过stöber和喷雾干燥相结合的方法成功地合成了这种材料。

 

sio2纳米颗粒通过键合作用被牢牢地固定在叠层mxene上,从而提高了长期循环过程中的结构稳定性。mxene基体不仅具有高弹性以缓冲sio2纳米颗粒的体积变化,而且还促进了电子和锂离子的转移。此外,包裹有延展性mxene膜的微球减少了比表面积,减轻了副反应并提高了库仑效率。因此, sio2/mxene微球负极获得了优异的电化学性能,包括高的可逆容量、出色的循环稳定性、高的库伦效率(特别是在首次循环中)、优异的倍率性能以及高的面比容量。本工作为mxene与sio2材料结合作为锂电池的负极提供了新的方向。

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ge mu, daobin mu, borong wu, chengwei ma,jiaying bi, ling zhang, hao yang, feng wu. microsphere-like sio2/mxene hybridmaterial enabling high performance anode for lithium ion batteries. small 2019,1905430.

doi: 10.1002/smll.201905430

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201905430

 

3. materials today:新兴正极材料的热应力诱导电荷和结构异质性

富镍层状氧化物正极材料是近期引人注目的候选材料,可提高下一代锂离子电池的能量密度。然而,这些材料的实际应用受到容量保持率差、热稳定性差和结构分解导致的氧释放的阻碍,可能会产生严重的安全后果。电池循环过程中的副反应通常是放热的,在温度升高的情况下会引起复杂的电化学-机械相互作用。因此,美国劳伦斯伯克利国家实验室的marca m.doeffslac国家加速器实验室的yijin liu合作探讨了在实际充电状态(50% li含量)和过充电状态(25% li含量)下,热暴露对化学脱锂lini0.8mn0.1co0.1o2(nmc-811)的影响。

 

通过先进的同步加速器辐射表征工具系统地研究了带电nmc-811的热行为动力学,涉及复杂的结构和化学演化;例如晶格相变,过渡金属(tm)阳离子迁移和化合价变化以及锂的重新分布。这些相互交织的过程表现出复杂的三维空间异质性,并在整个粒子中共同形成价态梯度。这一研究揭示了nmc-811对高温的响应,并强调了正极热鲁棒性对电池性能和安全性的重要性。


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judith alvarado, chenxi wei, dennis nordlund,thomas kroll, dimosthenis sokaras, yangchao tian, yijin liu, marca m. doeff.thermal stress-induced charge and structure heterogeneity in emerging cathodematerials. materials today, 2019.

doi: 10.1016/j.mattod.2019.11.009.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s1369702119308727

 

4. aem:具有类玻璃-陶瓷相的高倍率钒酸盐锂离子电池正极材料

在锂离子电池中,纳米电极材料具有短程离子扩散距离和快速反应动力学的优势,但是过高的比表面积使其在电极制备和循环过程中易发生颗粒团聚并与有机电解液发生严重副反应;而微米级电极材料虽然可以有效降低与电解液的接触面积,提高压实密度,但是其离子扩散能力通常不足以满足离子短时间的快速嵌入和脱出。因此,设计一种同时具有快速离子通道和低比表面积的微米级致密纳米晶材料可有效解决上述问题。

 

有鉴于此,清华大学材料学院唐子龙教授课题组在高倍率钛酸锂水合物电极材料的研究基础上,进一步解决了纳米电极材料低体积能量密度、低库伦效率及容量迅速衰减等问题。与传统自下而上合成纳米-微米材料的方法(如喷雾造粒、共沉淀自组装等)不同,该研究采用了一种自上而下的微米-纳米材料合成策略——首先合成微米级钒酸盐前驱体,再通过低温相转变过程引入类玻璃-陶瓷相中间态,同时晶粒发生细化,从而得到微米级致密纳米晶电极材料。这种具有类玻璃-陶瓷相的钒酸盐电极材料不仅具有丰富的晶界/相界面,以保证锂离子的快速传输,同时具有较小的比表面积,以减少与电解液之间的表面副反应。基于上述优势,该钒酸盐正极材料表现出优异的大倍率、高容量和长循环的电化学性能。这一合成策略对其他前驱体为水合物的过渡金属氧化物电极材料同样具有普适性,也为储能材料中的微米-纳米结构设计提供新思路。


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图1 热处理过程中的(a)原位xrd,(b)小角度区域的等值线图,和(c)晶粒尺寸变化.;(d)热处理过程中相转变示意图。

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图2 类玻璃-陶瓷相钒酸盐正极材料的(a-d)电化学性能,以及(e)与其他钒基正极材料的倍率性能对比。

yutong li. shitong wang. yanhao dong. yongyang. zhongtai zhang .zilong tang. glass‐ceramic‐like vanadatecathodes for high‐rate lithium‐ionbatteries. 2019

doi: 10.1002/aenm.201903411

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903411

 

5. acs energy lett.:电池材料在原位和操作实验中的转变:进展和展望

近年来,由于电动汽车的崛起和大规模储能电网的应用,储能市场出现了大幅增长。虽然可充电锂离子电池处于许多应用的前沿,但一些新材料和新兴的电池系统可以使电池具有更高的能量、更高的安全性或更低的成本。过去的十年里,人们在理解电池运行背后的复杂动力学方面取得了重大进展。原位和操作实验技术的发展对于揭示材料在充放电过程中如何变化、转化和降解起到了关键作用。

 

基于此,佐治亚理工学院的matthew t.mcdowell等人首先综述了最近在使用原位和操作实验来了解各种不同电池材料(包括合金/转换电极、插入电极和碱金属阳极)的动力学方面的成功。然后讨论了有望利用现场/操作实验的四个新兴重点领域。这些领域包括固态电池,改进的数据分析,跨时间和长度尺度的动力学联系,以及了解界面原子尺度的演化。研究者希望在跨时间和长度范围内研究电池系统的精细内部工作方面的持续进步将有助于推动未来的电池技术。


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matthewg. boebinger, john lewis, stephanie e. sandoval, matthew t. mcdowell.understanding transformations in battery materials using in situ and operandoexperiments: progress and outlook. acs energy letters,2019.

doi:10.1021/acsenergylett.9b02514

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02514

 

6. ensm综述:柔性钠离子储能装置的进展和挑战

柔性储能设备在新兴的柔性电子市场中具有巨大的发展潜力,从可折叠显示器、可弯曲移动电话、健康监测皮肤传感器到植入式医疗设备,都受到了广泛的关注。为了满足许多实际应用的要求,开发具有低成本,高性能,优异的稳定性和安全性的可靠且柔性的电极仍然是巨大的挑战。另一方面,结构设计也可以增强其灵活性和电化学性能。由于钠资源成本低、易获取,德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华团队综述了以钠离子为电荷载体的柔性储能装置的研究进展。首先简要介绍了柔性储能系统和柔性钠离子储能装置的发展现状。

 

然后,对柔性钠离子电池(sibs)中柔性材料的最新进展进行了较为详细的综述,包括碳基基材(如石墨烯、碳布、碳纳米纤维和碳纳米管)、金属基材料(如不锈钢、铜和钛箔)以及其他柔性基材和电解质。接下来详细讨论了其他柔性类钠基能源系统的进展,如光纤型柔性sibs、钠离子电容器(sics)、na-s电池和na-se电池。最后,对未来的发展前景和面临的挑战进行了分析,并提出了可能的凯发真人平台的解决方案。


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hongsenli, xiao zhang, zhongchen zhao, zhengqiang hu, xin liu, guihua yu. flexiblesodium-ion based energy storage devices: recent progress and challenges. energy storagematerials,2019.

doi:10.1016/j.ensm.2019.12.037

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829719311158

 

7. afm:重新设计聚丙烯酸粘合剂,以优化硅锂离子电池的电化学性能

硅(si)凭借着较高的理论比容量(将其合金化为li4.4si时为3570 mah g−1)、丰富的资源和成熟的加工技术,被认为是最有前途的负极材料之一。然而,在锂化/脱锂循环过程中剧烈的体积变化会阻碍循环性能,导致颗粒粉碎、电导率损失和不稳定的电极/电解质界面。基于此,美国阿贡国家实验室lu zhang团队开发了一系列的聚合物粘合剂,即聚(丙烯酸-四(乙二醇)二丙烯酸酯)。该粘合剂具有通过四(乙二醇)二丙烯酸酯(tegda)支化的聚丙烯酸(paa)骨架,可以很好地应对硅基电极的容量衰退。

 

醚链的引入不仅导致paa主链的分支结构,从而影响其机械性能,而且还促进了li离子的电导率。在半电池和全电池中均观察到协同性能的改善。使用支链paa粘合剂(bpaa)且进料摩尔比([tegda]:[丙烯酸(aa)])为0.2的电池具有最佳的性能,其初始容量增加10%,在100个循环后,相较于线性paa电池其容量保持率增加31%。循环电极的截面sem显示,bpaa结合剂可以大大减小电极的膨胀。这一改进源于聚合物设计的良好平衡性能,它可以进一步指导更先进粘合剂材料的开发。


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sisijiang, bin hu, zhangxing shi, wei chen, zhengcheng zhang, lu zhang.re-engineering poly(acrylic acid) binder toward optimized electrochemicalperformance for silicon lithium-ion batteries: branching architecture leads tobalanced properties of polymeric binders. advanced functional materials 2019,1908558.

doi:10.1002/adfm.201908558

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201908558

 

8. afm:室温可交联的天然聚合物粘合剂,用于高速率和稳定的硅阳极

寻找具有更高能量密度正极和负极材料对推动锂电池在动力电池、大规模储能系统中的应用至关重要。si因其3579 ma hg−1(li15si4)的高理论容量,相对较低的放电电压(<0.5 v vs li/li ),无毒和自然丰度而成为可行的替代品。但是,si巨大的体积膨胀(>300%)伴随着si颗粒的裂纹形成和粉碎,使固体电解质相层(sei)变厚甚至破裂阻碍了其商业化应用。具有丰富侧链功能的天然聚合物因其强大且可逆的超分子相互作用正成为一种有前途的粘合剂,可用于大容量,大体积变化的硅负极。然而,仅基于氢键的超分子网络相对容易重复变形,并且锂离子的扩散性不足。

 

在此,韩国蔚山国立科学技术研究所的ja‐hyoung ryu浦项科技大学的soojin park合作,提出了一种将天然聚合物与离子导电交联剂结合的简便但有效的方法,为硅负极构建坚固的网络。交联剂中的硼酸在室温下与天然聚合物自发反应,生成硼酸酯,从而使超分子网络具有牢固而动态的共价键合。交联剂中的另一种成分,聚环氧乙烷,有助于提高聚合物的离子电导率,即使在硅纳米颗粒的质量负荷较高(>2 mg cm−2)的情况下,也具有出色的倍率性能。该交联剂的一小部分可以通过平衡共价交联和自愈二次相互作用以及快速锂离子扩散来调节整个网络的强度,从而实现硅电极的扩展操作。该多功能交联剂的设计原则除了可以与天然聚合物结合外,还可与其他富含羟基的聚合物结合,从而进一步改进各种类型的电极材料。


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jaegeon ryu, sungho kim, jimin kim, soohampark, seungho lee, seokkeun yoo, jangbae kim, nam-soon choi, ja-hyoung ryu,soojin park. room-temperature crosslinkable natural polymer binder forhigh-rate and stable silicon anodes. advanced functional materials 2019,1908433.

doi: 10.1002/adfm.201908433

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201908433

 

9. nano energy:高亲钠性的渗透双导电骨架助力高稳定钠负极

金属钠(na)的高理论容量和丰富的地球资源使其有望成为基于钠离子化学电池的最终负极。然而,钠枝晶、不稳定的固态电解质间相(sei)和巨大的体积变化会使钠电池迅速衰减并引发安全隐患。基于此,同济大学的黄云辉教授罗巍研究员利用熔融的na和sno2之间的自发反应,在na金属中形成了渗透的na-sn合金/na2o框架。它可以有效地将“无主”钠固定在双离子/电子导电基体中,同时改善电极表面化学性能。通过密度泛函理论(dft)计算,验证了由na-sn合金/na2o框架实现的高“亲钠性”和低na 扩散势垒。

 

在对称池中使用碳酸盐和醚基电解质,无需任何添加剂,即可实现稳定的na电镀/剥离。与na3v2(po43正极配对的全电池展现了良好的循环性能,在1 c倍率下循环300圈后,其容量保持率仍有83%,而且,其在10 c的高倍率下也表现出有前途的性能。这项工作为na金属负极的双离子/电子导电结构的设计提供了一种新的方法,这种方法具有时间和成本效益,可以进一步指导金属负极的合理设计,使其具有高速率、无枝晶生长和体积变化最小的优点。


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xueyingzheng, wenjuan yang, zhongqiang wang, liqiang huang, sheng geng, jiayun wen,wei luo, yunhui huang. embedding a percolated dual-conductive skeleton withhigh sodiophilicity toward stable sodium metal anodes. nano energy, 2020.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2211285519311012

 

10. nano energy:在fe7se8基复合材料上构建应力释放层以实现高度稳定的钠存储

将多组分复合材料加工成定制的结构对开发先进的钠离子电池具有重要意义。然而,由于钠化过程中剧烈的体积膨胀引起的机械应力增强,导致了各向异性的膨胀和结构的异常变化,从而导致电极的不稳定性和较差的钠储存性能。基于此,深圳大学的yumeng shi新加坡科技设计大学的hui ying yang合作,提出了一种新型的应力释放策略,即将mose2纳米片插入卵黄壳fe7se8@c复合材料的表面,以适应体积膨胀并稳定电极。

 

fe7se8@c@mose2复合材料凭借其独特的优势,在高比容量(0.1 a g−1时473.3 mah g−1)、高倍率性能(5.0 a g−1时274.5 mah g−1)和长期循环稳定性(在1.0 a g−1时,循环600圈后的容量保持率为87.1%)方面表现出了令人印象深刻的钠存储性能。有限元(fe)模拟证实,外部的mose2层可以显著消除由碳酸盐层中fe7se8诱导钠膨胀引起的应力。通过原位和非原位研究,进一步揭示了钠的主要贮存机制和结构演化。更令人鼓舞的是,基于fe7se8@c@mose2负极的实用钠离子全电池被证明具有出色的性能。这项工作加强了对钠存储行为的机械效应的基本理解,并为设计面向先进能量存储设备的智能多成分混合动力车提供了启示。


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song chen, shaozhuan huang, yuan-fang zhang,shuang fan, dong yan, yang shang, mei er pam, qi ge, yumeng shi, hui ying yang.constructing stress-release layer on fe7se8-based composite for highly stablesodium-storage. nano energy, 2020.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2211285519311036

 

11. afm:镍催化合成用于高性能锂离子电池的三维边缘卷曲石墨烯

由于其二维平面结构和独特的电子行为,石墨烯在电化学储能领域受到广泛关注,特别是在锂离子电池领域。作为锂离子电池的负极材料,石墨烯的两面都可以用作锂的储存场所,从而为li2c6形式的石墨烯提供744 mah g−1的理论比容量,是石墨的两倍。但是,当前石墨烯产品的实际性能和理论性能之间仍然存在明显的差距。对于石墨烯的制备和应用,有效地防止石墨烯的堆积并保持超薄层仍然是一项重要的研究工作。基于此,东北大学孙挺教授团队与中佛罗里达大学的yangyang合作,提出了一种基于盐模板表面催化剂迁移控制石墨烯生长的新型合成策略,用于制备三维边缘卷曲石墨烯(3decg)。

 

在位阻和ni催化剂迁移的协同作用下,3d ecg形成了一种特殊的结构,其中中间部分是平坦的,边缘是卷曲的。所得的独特结构不仅有效地防止了石墨烯的紧密堆积和聚集,而且还显着提高了其锂存储性能。作为锂离子电池的负极,在0.05和5.0 a g−1的电流密度下,可逆比容量可以达到907.5和347.8 mah g−1。即使经过1000次循环,在电流密度为0.5 a g−1的情况下,3d ecg的比容量仍可以保持在605.2 mah g−1,这证明了3d ecg出色的倍率性能和循环性能。这种新的合成策略和独特的边缘卷曲结构可用于指导更多的3d石墨烯材料设计,以进一步实现功能应用。


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jianghua zhang, yongjian ai, jiajing wu, dailezhang, yun wang, zhongmin feng, hongbin sun, qionglin liang, ting sun, yangyang. nickel-catalyzed synthesis of 3d edge-curled graphene forhigh-performance lithium-ion batteries. advanced functional materials 2019,1904645.

doi: 10.1002/adfm.201904645

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201904645

 

12. ensm:固态电化学合成的β-sic纳米线作为锂离子电池的负极材料

锂离子电池因为具有工作电压高、能量密度大、自放电低、充电快、重量轻、设计灵活、维修要求低等优点在便携式电子产品的电源市场占据着主导地位。长期以来,人们一直在寻求用更高锂存储容量的材料代替石墨。目前一个主要的研究重点是si,其锂化状态的li15si4的创纪录的比容量为3579 mah/g,这是li/si体系中可以达到的最高的锂化阶段。剑桥大学的d. srimaha vishnu韩国能源研究所的hyun-kyung kim 通过在1173 k的cacl2熔体中对sio2/石墨混合物进行电脱氧来合成sic,并通过xrd、sem-edx、xps和tem-stem对还原产物进行表征。

 

制备的sic具有粉末形态,仅存在β相,并且具有独特的纳米结构,其纳米线的长度为400-600nm,直径为10-40nm。循环伏安研究表明,纳米线sic对li 离子具有电活性。在0.5 a/g的充放电倍率下电池的比容量约为1000 mah/g,在数百个循环中库仑效率超过99%。这种电化学合成方法简单、经济、可扩展,可能是使纳米碳化硅用于电池和其他大规模技术的缺失环节。然而,在考虑将这种材料应用于实际电池之前,有必要进一步提高其库仑效率。


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d. sri maha vishnu, jagadeesh sure, hyun-kyungkim, r. vasant kumar, carsten schwandt. solid state electrochemicallysynthesised β-sicnanowires as the anode material in lithium ion batteries. energy storagematerials, 2019.

doi: 10.1016/j.ensm.2019.12.041

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829719311195

 

13. ensm:基于tin/tip2增强的界面动力学,快速充电锂离子电池用红磷负极的制备

随着便携式电子产品和电动汽车的快速升级,开发具有优越快速充电能力的高能量密度锂离子电池(libs)变得非常必要。然而,在大规模应用中,目前商用锂锂电池的性能主要受到石墨负极的限制,石墨负极的容量(372 mah g−1)和倍率性能较差。红磷(rp)具有高容量(2596mah g−1)和适当的锂化电位(0.7v vs. li/li ),是快速充电锂离子电池的理想负极。基于此,天津大学孙洁团队高能球磨将非晶态的软质rp纳米粒子嵌入到硬质和微米级的tin纳米片以及cnt中,从而在rp和tin的界面处制备了tip2层。

 

这种原位形成的导电tip2实质层增强了li 扩散,提高了rp的界面稳定性,并抑制了p与电解质之间的副反应。因此,rp/tin/cnt电极具有出色的快速充电和长期循环性能,例如在充电电流密度为8 a g1(3 c倍率,约3分钟),放电电流密度为0.15a g1时,从第5到200次循环的快速充电容量保持率为92.6%;在2.3 a g1的电流密度下,从第3到850次循环的容量保持率为96.9%。这项工作为致力于高倍率和快速充电libs的研究提供了关键的支持。


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xinpeng han, zixuan zhang, muyao han, yurucui, jie sun. fabrication of red phosphorus anode for fast-charging lithium-ionbatteries based on tin/tip2-enhanced interfacial kinetics., energy storagematerials, 2019.

doi: 10.1016/j.ensm.2019.12.044

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829719311225

 

14. angew: 具有氧化还原活性的二维mof实现高效高容量储锂

近年来,金属有机框架(mof)化合物凭借其超高比表面积。可调控化学位点以及多样的拓扑结构等优势而在诸多领域都吸引了广泛关注。最近,天津大学的enyuan huyunhua xu以及long chen等人通过简单的溶剂热方法合成了一种新型的具有氧化还原活性的二维铜-苯醌(cu-thq mof)金属有机框架化合物材料。丰富的孔结构和本征的氧化还原活性使得这种二维cu-thq mof材料具有很高的电化学活性。当

 

作为锂离子电池正极材料时,这种cu-thq mof能够实现高达387 mah/g的放电容量和775wh/kg的能量密度。这样优异的电化学性能超过了目前所报道的所有基于金属有机框架体系的储能材料。研究人员通过深入的光谱技术发现其电化学反应机制是由每个配位单元中三电子氧化还原反应和每个cu2 的单电子氧化还原反应共同实现的。该工作为设计高性能储能/转化mof材料提供了指导。


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qiang jiang, peixun xiong, enyuan hu, yunhuaxu, long chen et al, redox-active 2d metal-organic framework for efficientlithium storage with extraordinary high capacity, angewandte chemieinternational edtion, 2020

doi: 10.1002/anie.201914395

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201914395?af=r

 

15. chem. rev.综述:熔融盐中的硅电化学

硅(si)是现代技术的核心,广泛用于生产金属合金、硅有机化合物、光纤、太阳能元件、先进陶瓷、电池、微芯片等众多优势应用领域。硅电化学通过提供对低碳经济有贡献的环保和安全技术,具有推动可持续能源凯发真人平台的解决方案的潜力。电化学方法直接将电子用作还原剂,从而消除了对有害化学物质的需求,并提供了更简单的一步式过程控制。硅本身是地壳中含量第二高的元素,无毒,是一种坚固的材料,可在太阳能光伏中提供高效率。因此,硅目前在太阳能市场上占主导地位,并且在接下来的几十年中可能会继续如此。

 

基于此,立陶宛物理科学与技术中心&剑桥大学的eimutis juzeliunasderek j. fray综述总结了硅熔融盐电化学的最新成就,重点介绍了具有技术意义的主题,例如通过二氧化硅电脱氧生产硅,形成光敏层,进行硅电精炼,合成半导体以及用于能源领域的纳米结构等。该综述强调了未来的机遇和挑战,例如生产高纯硅,创建用于氧气生产的无碳阳极以及从气态前体中进行硅电沉积。



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e.juzeliu nas, d. j. fray. silicon electrochemistry in molten salts. chem rev, 2019.

doi:10.1021/acs.chemrev.9b00428

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00428

 

16. ensm综述:提高先进锂离子电池钛基负极锂离子扩散系数和电子导电性的研究

钛酸盐基化合物因其“零应变”特性、低成本、高安全性、高电位平台、可自由生成金属锂和固体电解质间相膜等优点,被认为是高性能锂离子电池极具发展前景的负极材料。然而,钛酸盐基化合物的大规模应用受到固有的低锂离子扩散系数和差的电子电导率的限制。为了解决这些对实际应用的挑战,已经付出了巨大的努力,并且已经取得了一些关键的进展。哈尔滨工业大学王振波教授东北大学ting-fengyi对钛酸盐基化合物的结构特征、运输性质和改性策略进行了全面概述。

 

着重综述了离子掺杂、表面修饰、粒子形貌控制、复合电极结构等提高锂离子扩散系数、电子导电率和电化学性能的各种有效策略的研究进展。综述了锂离子电池的析气机理及解决方法。设计精细的碳涂层结构是获得高性能钛酸盐基电极材料的有效策略,该材料可以抑制放气行为并同时实现高电子电导率。最后,展望了钛酸盐基化合物的未来研究方向和进一步发展,以促进其广泛应用。该综述将为基于钛酸盐的化合物的高性能设计和优化提供重要的理解。

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ting-feng yi, ting-ting wei, ying li, yan-binghe, zhen-bo wang. efforts on enhancing the li-ion diffusion coefficient andelectronic conductivity of titanate-based anode materials for advanced li-ionbatteries. energy storage materials, 2020.

doi: 10.1016/j.ensm.2019.12.042

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829719311201

 

17. jacs水系可充电锌电池中具有氧化还原活性的三角形菲醌

就倍率性能、成本和安全性而言,水性可充电锌电池(zbs)最近在大型储能系统中受到了广泛关注。尽管如此,这些zbs仍然是一个有待研究的课题,因为研究人员正在寻找高性能的正极材料。在zbs的各种候选正极材料中,醌化合物因其高比容量、可持续性和低成本而脱颖而出。然而,醌类正极在电池循环过程中受到溶解的严重限制,导致电池寿命下降。为了解决这个问题,新南威尔士大学的dong jun kimj. fraser stoddart团队引入了具有刚性几何结构和分层上层结构的基于氧化还原活性的三角形菲醌基大环(pq-δ)。

 

值得注意的是,已经确认zn2 离子和h2o分子可以插入pq-δ有机正极中,因此,正极和电解质之间的界面电阻会有效降低。密度泛函理论计算表明,低界面电阻主要归因于由于在pq-δ正极中插入了水合zn2 离子而降低了去溶剂化能量的损失。插入水合zn2 离子和坚固的pq-δ三角结构的共同作用使电池在150 ma g-1的高电流密度下实现210 mah g-1的大可逆容量以及出色的循环寿命,即500次循环后容量保持率达到99.9%。这些发现表明,利用电子活性有机大环化合物以及与二价载流子离子的溶剂化相关的低界面电阻,对于二价电池系统的整体性能至关重要。

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kwan woo nam, heejin kim, yassine beldjoudi,tae-woo kwon, dong jun kim, j. fraser stoddart. redox-activephenanthrenequinone triangles in aqueous rechargeable zinc batteries. journal of theamerican chemical society 2020.

doi: 10.1021/jacs.9b12436

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12436

 

18. acs nano:碘蒸汽运输引发的优先生长chevrel mo6s8纳米片用于先进的多价电池

由于独特的结构,在过去的五十年中,chevrel相(cp)已用于超导、热电、催化和二次电池的电极中,有望成为可充电多价(mg和al)电池应用的有希望的候选者。但其广泛的应用受到耗时、复杂的合成过程的严重限制,同时还伴随着不可控的生长和较大的颗粒尺寸,这会放大电荷捕获效应,降低电化学性能。基于此,中科院物理所索鎏敏研究员提出了一种碘蒸气运输反应(ivt)来获得大规模、高纯度的mo6s8纳米片,其中碘有助于调节生长动力学,并诱导作为典型三维材料的mo6s8优先生长形成纳米片。

 

当应用于可充电多价(mg和al)电池时,mo6s8纳米片由于扩散距离短而显示出非常快的动力学,因此与传统方法获得的微粒子相比,其极化率更低,容量更大,低温性能更好(可达−40 ℃)。预计mo6s8纳米片将促进chevrel相的应用,尤其是在能量存储和催化领域,ivt反应将推广到广泛的无机化合物纳米片中。

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minglei mao, zejing lin, yuxin tong, jinmingyue, chenglong zhao, jiaze lu, qinghua zhang, lin gu, liumin suo, yong-shenghu, hong li, xuejie huang, liquan chen. iodine vapor transport-triggeredpreferential growth of chevrel mo6s8 nanosheets for advanced multivalentbatteries. acs nano, 2019.

doi: 10.1021/acsnano.9b08848

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b08848

 

19. materials today综述:用于钠储存的过渡金属硫化物负极

由于钠资源的低成本和无限的可用性,可充电钠离子电池(sibs)现在被认为是锂离子电池在大规模应用中最有吸引力的替代品。另一方面,由于过渡金属硫化物(tmcs)具有通用的材料种类、丰富的数量、低成本、坚固的特性和较高的理论容量,它们已成为sib负极的潜在候选者。但是,tmcs仍然面临着一些挑战,例如在嵌钠/脱钠过程中体积发生严重变化,电导率不足以及大规模生产等。因此,已经开发了许多传统和非常规技术来减轻这些问题并获得用于实际应用的高质量电极材料。

 

在此,中国科学技术大学的余彦北京大学的侯仰龙对tmcs问题的最新进展和改进策略进行了总结。然后,提供了过渡金属硒化物与硫化物tmcs家族成员的详细比较,以研究控制硒化物相对性能改善的因素。除此之外,与单金属tmcs相比,含多种过渡金属的tmcs(m-tmcs)表现出了令人惊讶的良好性能。因此,讨论了m-tmcs的各种启发性特征。作为这些讨论的结果,概述纠正了tmcs负极材料的潜在挑战和几种有前景的凯发真人平台的解决方案。

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zeeshanali, teng zhang, muhammad asif, lina zhao, yan yu, yanglong hou. transitionmetal chalcogenide anodes for sodium storage. materials today, 2020.

doi:10.1016/j.mattod.2019.11.008

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s1369702119308715

 

20. nano lett.: 优化yolk−shell纳米球的空腔尺寸实现高能量密度的钠离子电池

由于高的质量能量密度(386 ma h g−1)和体积能量密度(3800 ma h cm−3),铋有希望成为钠离子电池的阳极材料。但是导电性差和体积膨胀大的特性严重限制了铋在钠离子中的用于。构建具有空腔的纳米结构可以有效的缓冲铋在充放电过程中的体积膨胀,从而实现长的循环性能。但是多余的空腔会降低电池的整体的体积能量密度。

 

鉴于此,中国科学大学余彦教授团队通过溶胶-凝胶法合成了一系列具有不同空腔尺寸的bi@c yolk−shell纳米球,并通过原位xrd和tem等技术手段详细研究了空腔尺寸对电化学性能的影响,揭示了空腔对电化学性能影响的背后机制,实现了具有高能量密度电极材料的设计和合成。亮点:通过溶胶凝胶法合成了一些空腔空腔尺寸的bi@c yolk−shell纳米球,并研究了空腔尺寸对电化学性能的影响;当用于钠离子电池时,具有最优空腔尺寸的材料表现出优异的倍率性能(在100 a g−1的超高电流密度下的能量密度为173 ma h g−1)和长的循环稳定性(在20 a g−1的电流密度下循环10000圈仍有198 ma h g−1的能量密度保持);利用原位xrd和tem技术监测了充放电过程,深层次的解释了空腔对电化学性能的影响。

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yang h, chen l, he f, et al. optimizing the void sizeof yolk-shell bi@ void@ c nanospheres for high-power density sodium-ionbatteries[j]. nano letters, 2019.

doi: 10.1021/acs.nanolett.9b04829

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04829

 

21. nano letters: 富锂正极材料中晶界诱导的衰减机制

尽管富锂锰基层状氧化物正极材料xli2mno3·(1-x)litmo2(tm=ni,mn,co)(lmr-nmc)具有很高的能量密度,但其商品化应用仍然面临着mn的溶解、电压衰降以及阻抗增大等问题。在诸多正极材料改性方法中,最具应用前景的是将尖晶石型正极材料与lmr-nmc正极复合形成局部“层状-层状-尖晶石”的正极结构。不过,即便是这样,对于材料结构和组分的精准控制以及后续的相关表征仍然充满了挑战性。因此,对这些复合材料的原子结构进行详细的探究对于lmr-nmc正极材料的发展十分关键。  

 

最近,美国阿贡国家实验室的jason croy以及伊利诺伊大学芝加哥分校的rezashahbazian-yassar等利用球差矫正扫描透射电子显微镜技术(ac-stem)技术对集成了尖晶石结构的lmr-nmc正极材料充放电前后的原子结构进行了研究。研究结果表明,具有不同的原子构型的应变晶界在lmr-nmc正极中是可能存在的。这些高能界面通过增加与电解液的接触表面积和ni在循环过程中的迁移来诱导正极材料颗粒的开裂以及金属mn的溶解,并因此加速了正极材料电化学性能的衰减。这些结果揭示了局部结构在正极结构宏观衰减中所起的重要作用。


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sorooshsharifi-asl, jason croy, reza shahbazian-yassar et al, revealinggrain-boundary-induced degradation mechanisms in li-rich cathode materials,nano letters, 2020

doi:10.1021/acs.nanolett.9b04620

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04620

 

22. ees:泡沫碳负载的sno2纳米粒子用作高性能钾离子电池自支撑负极材料

钾离子电池凭借丰富的原料来源和低廉的成本等优势而有望取代锂离子电池在规模储能中实现商业化应用。然而,由于k 的离子半径较大,因此寻找同时具备高容量和高循环稳定性的钾离子电池电极材料十分困难。最近,北京大学工学院材料科学与工程系的侯仰龙教授利用简单的电沉积方法成功地将sno2纳米粒子锚定在泡沫碳(sno2@cf)上作为钾离子电池自支撑负极。

 

由此制备的sno2@cf电极具有三维导电碳框架和sno2纳米粒子,因此在电化学循环导致的体积膨胀下仍然能够保持良好的电子传输并抑制sno2活性粒子的脱落。因此,sno2@cf电极能够在1a/g的电流密度下表现出高达237.1mah/g的可逆比容量,在高达5a/g的大倍率下仍然能够释放出143.5mah/g的容量。同时,研究人员还发现在充放电过程中sno2@cf电极的不可逆相变被显著抑制,这显著改善了电极材料的可逆性和循环稳定性。该研究成果为发展高性能自支撑钾离子电池电极材料提供了简单的方法。


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hailong qiu, yonglong hou et al, sno2nanoparticles anchored on carbon foam as freestanding anode for highperformance potassium-ion batteries, energy&environmental science, 2020

doi: 10.1039/c9ee03682b

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03682b#!divabstract

 

23. acs energy letters:高压富锂多电子聚阴离子锂离子电池正极材料—li5v2po4f8

作为正极材料来说,聚阴离子型化合物相比传统氧化物材料来说能量密度较低。近日,韩国浦项科技大学的byoungwoo kang 等首次报道了一种具有高能量密度的富锂型聚阴离子化合物li5v2po4f8。这种正极材料的高能量密度基于其钒元素的多电子氧化还原反应和氟元素诱导的高工作电压。该材料的晶体结构中具有由共顶点的八面体vo2f4和po4构成的坚固三维框架以及可供锂离子可逆脱嵌的三维通道。

 

理论上来讲,该材料在两电子氧化还原反应均激活的情况下的理论容量高达285mah/g。不过,实际上该材料只有首周能够在4.9v处发生v4 /v5 的氧化还原反应,后续的电化学过程中只能够在4.4v处发生v3 /v4 的氧化还原反应,对应着111mah/g的可逆容量。本文所报道的富锂富氟磷酸盐化合物为锂离子电池正极材料的发展提供了一种全新的选择,进一步地改性和优化策略有望激发该材料的全部潜力。


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minkyung kim, byoungwoo kang et al,multielectron-capable li-rich polyanion material with high operating voltage:li5v2po4f8 for li-ion batteries, acs energy letters, 2020

doi: 10.1021/acsenergylett.9b02451

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02451

 

24. nano energy:p2型层状钠离子氧化物中的阳离子和阴离子氧化还原反应研究

对高比能钠离子电池的需求促进了对层状过渡金属氧化物正极中高能氧氧化还原化学反应过程的深入研究。但是,大多数带有氧还原反应的层状正极可能会产生不可逆的电化学反应,导致容量的快速衰减和潜在的o2释放。近日,美国马里兰大学王春生教授等人报道了具有强电负性的铜元素可以稳定缺钠的p2-na2/3mn0.72cu0.22mg0.06o2相,从而实现阳离子和阴离子氧化还原化学。硬x射线和软x射线吸收光谱表明,所有的mn3 /mn4 ,cu2 /cu3 和o2-/(o2)n-在钠离子脱出和插入后均参与氧化还原反应。

 

密度泛函理论(dft)计算证实,铜和氧之间的强共价性确保了p2-na2/3mn0.72cu0.22mg0.06o2相中的阳离子和阴离子氧化还原活性。p2-na2/3mn0.72cu0.22mg0.06o2正极表现出稳定的循环寿命,在1c的倍率下循环100圈的容量保持率为87.9%,以及高倍率性能(在10c循环时为70.3 ma h g-1)。他们的发现不仅为提高基于阴离子氧化还原活性的层状氧化物的电化学性能提供了指导方针,而且还探索了氧氧化还原工艺背后的潜在科学原理。


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peng-feiwang, yaoxiao, nanpiao, qin-chaowang,xiaoji, tingjin, yu-jieguo, sufuliu, taodeng, chunyucui, longchen, yu-guoguo,xiao-qingyang, chunsheng wang, both cationic and anionic redox chemistry in ap2-type sodium layered oxide, nano energy, 2020

doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104474

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104474

 

25. joule: p2型层状钠离子电池正极材料在阴离子氧化还原中的结构稳定性

人们对于可持续性储能设备的需求催生了包括钠离子电池在内的诸多新型储能体系。之前的研究发现钠离子电池的能量密度可以通过激活贫钠态层状氧化物正极材料中的阴离子氧化还原活性来实现。与具有o3型堆积结构的富锂氧化物正极来说,贫钠态的p2型正极材料在阴离子氧化还原过程中具有更高的结构稳定性。因此,认识o型和p型等不同堆积结构对阴离子氧化还原可逆性的影响就十分关键。

 

最近,法国蒙彼利埃国立大学matthieu saubanere等利用密度泛函理论并以o2型和p2型na2/3mg1/3mn2/3o2正极为模型材料对其阴离子氧化还原过程中的结构稳定性进行了研究。研究人员发现在阴离子氧化还原过程中氧网络是通过p堆积中高度可逆的集体畸变,或o堆积中氧对的歧化导致电压滞后这两种方式实现稳定的。他们利用这两种畸变模型提出了一种磁约束dft方法来预测可逆循环过程中的临界电荷状态。该研究结果为下一代正极材料的设计提供了基本的认识、强大的计算方法和实用的指导。


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jean vergnet, matthieu saubarene et al, thestructural stability of p2-layered na-based electrodes during anionic redox,joule, 2020

doi: 10.1016/j.joule.2019.12.003

https://www.cell.com/joule/fulltext/s2542-4351(19)30588-4?rss=yes#

 

26. afm综述:钒基纳米材料—新型金属离子电池电极材料的有力竞争者

由于现有的锂离子电池技术的发展受到锂资源有限等因素的限制,因此基于na/k/mg/ca/zn/al等金属离子的新型储能体系日益受到人们的关注。在过去的几十年里,大量的研究工作都在积极地发展新型金属离子电极材料以追求更高的能量密度、更高的功率密度以及更长的循环寿命。在诸多新型储能电极材料中,钒基纳米材料吸引了广泛关注。钒基复合物是一类具有不同晶体结构、化学组分和电化学性质的大家庭,因此能够为发展新型的电化学储能体系提供各种不同的需求。

 

近日,武汉理工大学的麦立强教授qinyou an等发表综述文章,对近年来钒基纳米材料在新兴的金属离子储能体系中的应用进行了全面总结概括。他们根据化学组分和结构将钒基纳米材料划分为钒基氧化物、钒酸盐、钒基磷酸盐以及不含氧的钒基化合物这四类。作者对这四种钒基材料的化学结构、电化学性能以及改性策略等进行了详细总结。文章重点关注的是钒基纳米材料的结构与性能关系以及对应的电化学储能机理。最后,作者对钒基材料在未来的应用于发展方向给出了自己的观点。


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xiaoming xu, qinyou an, liqiang mai et al,vanadium‐basednanomaterials: a promising family for emerging metal‐ionbatteries, advanced functional materials, 2020

doi: 10.1002/adfm.201904398

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201904398?af=r

 

27. adv. sci.:高粱杆碳化制备n/o双掺杂硬碳用于钾离子电池负极

钾离子电池(pibs)被认为是锂离子电池最有希望的候选者,因为其丰富的储量和较低的钾资源成本。但是,由于k 的半径比li 大,这可能会阻碍k 插入电极中,从而导致pibs的循环稳定性差。基于此,吉林大学的蒋青、杨春成等人通过碳化可再生的高粱秆,构建n/o双掺杂硬碳(nohc),作为pib负极,nohc具有高可逆容量(在0.1 a g-1 100次循环后可达304.6 mah g-1)和优异的循环稳定性(1 ag-1 5000个周期后保持189.5 mah g-1)。

 

这种优异的电化学性能可归因于其超稳定的多孔结构、扩展的层间空间和n/o双掺杂。更重要的是,可以简单大规模制备nohc,显示出巨大的商业化应用潜力。这项工作可能会推动低成本和可持续碳基材料的发展,用于pibs和其他先进的储能设备。


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rong chao cui, bo xu, hou ji dong, chun cheng yang,qing jiang. n/o dual‐doped environment‐friendly hard carbon as advanced anode for potassium‐ion batteries. advanced science. 2020

doi: 10.1002/advs.201902547

https://doi.org/10.1002/advs.201902547

 

28. am:柔性锂离子电池用高容量和高稳定性v2o5正极

基于纺织品的储能设备对于柔性和可穿戴电子产品具有极大的吸引力。近日,北京科技大学于然波、香港理工大学郑子剑、中科院过程工程研究所王丹等人报道了一种用于高性能柔性锂离子电池的高负载3d纺织正极,该正极将空心多壳结构(homss)与导电金属织物耦合在一起。

 

作者通过顺序模板法制备v2o5 homss作为活性材料,导电金属织物作为集流体和柔性衬底,利用v2o5的理想结构能够有效缓冲多次li 插入/脱出过程中的体积膨胀并减轻应力/应变,所制备的器件表现出优异的电化学性能和超高的稳定性。即使在500次充放电循环后,在2.5 mg cm-2的高质量负载下,其容量仍能保持在222.4 ma h g−1,并且在数百次弯曲和折叠循环后,未观察到明显的性能下降。这些结果表明,v2o5 homss/金属纤维正极电极有望用于高柔性的锂离子电池。

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yujing zhu, mei yang, qiyao huang, dongruiwang, ranbo yu, jiangyan wang, zijian zheng, dan wang. v2o5 textile cathodeswith high capacity and stability for flexible lithium‐ion batteries. advanced materials.2020

doi: 10.1002/adma.201906205

https://doi.org/10.1002/adma.201906205

 


29. ees: 电催化多硫化钠全转化助力高性能室温na-s电池

室温na-s电池凭借其低成本等优势而有望在规模储能领域实现广泛应用。然而,反应中间产物多硫化钠的不完全转化会导致na-s电池循环稳定性不佳,这严重阻碍了其实用化进程。在本文中,澳大利亚卧龙岗大学的xun xushixue dou 以及美国德克萨斯大学奥斯汀分校的guihua yu等向硫正极中引入了一种高效亲硫载体—金量子点修饰的分级n掺杂碳微球(cn/au/s),这种亲硫载体能够通过电催化效应将动力学迟滞的na2s4完全转化为na2s或单质s。

 

此外,金量子点和n掺杂碳材料还能够提高s正极的导电性,并且能够通过极性-极性相互作用吸附多硫化钠中间体以消除其穿梭效应。在na-s电池中,这种cn/au/s正极能够实现较高的硫利用率、优异的循环稳定性和杰出的倍率性能。该工作深化了金属au在s分子中催化效应的理解,为发展高性能室温na-s电池开辟了新的道路。


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nanawang, xun xu, guihua yu, shixue dou et al, high-performance room-temperaturesodium-sulfur battery enabled by electrocatalytic sodium polysulfides fullconversion, energy & environmental science, 2019

doi:10.1039/c9ee03251g

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03251g#!divabstract

 

30. adv. sci.:氮掺杂碳纤维连接镍空心球增强钠硫电池的电化学动力学

钠硫电池因其卓越的理论能量密度和极低的成本从一系列储能体系中脱颖而出,此外,钠作为锂的替代品,广泛分布于世界各地,这进一步推动了钠电池的快速发展。然而室温下钠硫电池(na‐s)的高能量密度通常依赖于放电过程中多硫化物向硫化钠的有效转化和充电过程中的硫回收。因此,找到合适的主体以过渡金属原子作为催化中心进行物理/化学吸附是开发先进na-s电池有前途的方向。

 

基于此,西南大学的徐茂文团队采用静电纺丝法合成了由氮掺杂碳纤维(ncfs)和镍空心球组成的三维网络(ni‐ncfs)基体。在这种新颖的设计中,每个ni中空单元不仅可以缓冲循环过程中s的体积波动,而且可以提高正极沿碳纤维的电导率。同时,结果表明,在硫加载过程中,少量的镍被极化,形成极性的ni–s键。此外,与氮掺杂碳纤维结合使用,ni-ncfs复合材料可以有效地吸附可溶性多硫化物中间体,这进一步促进了ni单元对多硫化钠氧化还原的催化作用。实验结果表明,s@ni-ncfs正极具有出色的倍率能力和循环性能。这些优异的性能表明,提高电导率并充分发挥催化作用是na-s电池正极材料设计的两个重要原则,这为未来的研究工作指明了方向。

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bingshu guo, wenyan du, tingting yang, jianhuadeng, dingyu liu, yuruo qi, jian jiang, shu-juan bao, maowen xu. nickel hollowspheres concatenated by nitrogen-doped carbon fibers for enhancingelectrochemical kinetics of sodium–sulfur batteries. advanced science 2019, 1902617.

doi: 10.1002/advs.201902617

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902617

 

31. afm:licl辅助的mgcl2增溶机制,延长mg/s电池的循环寿命

金属镁是高能量电池的优良负极,因为它具有高的理论比容量(2205 mah g−1)、高的理论体积容量(3833 mah cm−3)、低的成本和低的电化学电位(−2.36 v vs nhe)。可以可逆地电镀/剥离镁的非亲核电解质对于实现高性能可充电mg/s电池至关重要。与有机金属电解质相比,基于mgcl2‐alcl3复合物的全无机电解质成本更低,对空气和湿度的稳定性更好。最近开发的一种含有四氢呋喃溶剂化二价mg阳离子和[mg·6thf][alcl4]2的电解质与硫正极具有良好的相容性。然而,它具有较大的过电位和短的循环寿命,这阻碍了其在mg/s电池中的应用。

 

基于此,清华大学的张跃钢等人通过使用licl从电解质/电极界面溶解mgcl2,成功地实现了有效的mg电镀/剥离。结果,在500 μa cm−2的电流密度下,mg电镀/剥离的过电势显著降低至140/140mv。实验和密度泛函理论(dft)的计算均表明,licl辅助的mgcl2增溶作用促进了mg负极上新鲜表面的暴露。利用这种licl激活策略,成功地实现了mg/s全电池,其循环寿命延长至500多圈,库仑效率接近100%。这项工作证明了licl辅助界面激活在延长全无机电解质mg/s电池的循环寿命中的作用。

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haiyanfan, zhaozhao zheng, lijuan zhao, wanfei li, jian wang, mimi dai, yuxing zhao,jianhua xiao, guang wang, xiaoyu ding, hai xiao, jun li, yang wu, yuegangzhang. extending cycle life of mg/s battery by activation of mganode/electrolyte interface through an licl-assisted mgcl2 solubilizationmechanism. advanced functional materials, 2019, 1909370.

doi:10.1002/adfm.201909370

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909370

 

32. esm:具有分子靶向位点的多孔硫物种抑制li-s电池中硫宿主的钝化

高比表面积的宿主材料在li-s电池中得到了广泛应用以抑制多硫化物的穿梭效应来实现高硫载量电池的稳定工作。然而,在高载量电池的长期电化学循环中常常会有不导电的li2s产物沉积在宿主材料的表面,从而导致宿主材料的钝化。解决这一问题的一个有效方案是通过改变电沉积形成的绝缘的li2s的结构来形成开放的电子通道以进一步调控硫物种的成核与生长。在本文中,电子科技大学的xianfu wangweidong hejie xiong等将聚异戊二烯-硫整合在导电性良好的ti3c2tx中间层中构建了一种载硫均匀的多孔复合硫正极材料。

 

在这种复合正极中,聚异戊二烯骨架与ti3c2tx中间层共同承担着负载多孔硫物种的功能,而其中的c-c/c-o等配位不饱和的官能团则通过调控li2s的成核与异质沉积来防止其沉积在宿主表面。因此,在li-s电池放电过程中能够形成电子和离子传输通畅的三维岛状li2s,有效地抑制了宿主的表面钝化。该方法能够使得li-s电池的循环稳定性得到显著提升,其在650周的长循环后容量保持率仍然高达71%。

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tianyu lei, xianfu wang, weidong he, jie xionget al, genetic engineering of porous sulfur species with molecular targetprevents host passivation in lithium sulfur batteries, energy storagematerials, 2019

doi: 10.1016/j.ensm.2019.12.036

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829719311146?dgcid=rss_sd_all#!

 

33. chem. mater.:mgcr2-xvxo4尖晶石氧化物中的mg离子活性

二价镁和氧之间的强亲和力阻碍了镁在氧化物尖晶石中的迁移,这表明有必要探索用于镁离子电极材料的新型固体晶格化学。美国阿贡国家实验室的john t. vaugheybaris key等人通过理论和实验证明了在cr-尖晶石中具有合适活化能的阳离子迁移率,而v的氧化还原电位适用于目前有限的非水电解质。通过控制结构、组成和复杂程度,合成了一种mgcrvo4尖晶石固溶体,与纳米复合材料不同的是,它可以将晶格中各过渡金属的优点结合在一起。通过简单的固态反应和少量非活性的富cr或富v组分成功地合成了尖晶石。

 

利用热和阳极稳定的mg(tpfa)2/三甘醇二甲醚电解质进行高温电化学反应,并降低界面处和界面之间的动力学势垒,从而观察mg在设计晶格中的嵌入行为。通过探测局域和长程结构以及晶格中v和cr电子态的演化,证实了mgcrvo4具有部分可逆性的脱镁。表征实验还提供了发生(脱)插层反应的直接证据,这种插层反应除了在电荷作用下形成表面岩盐相外,没有发生任何主要的竞争性转换反应或质子插入晶格。这些关于mg2 活性的发现为设计mg尖晶石氧化物材料提供了更多机会,同时强调了识别可逆性挑战根源的必要性,这些挑战包括但不限于相稳定性,特别是带电状态,界面处的势垒,电解质稳定性和去溶剂化现象共同阻碍了其作为正极材料的使用。

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bob jin kwon, ka-cheong lau, haesun park,yimin a. wu, krista l. hawthorne, haifeng li, soojeong kim, igor l. bolotin,timothy t. fister, peter zapol, robert f. klie, jordi cabana, chen liao, saulh. lapidus, baris key, john t. vaughey. probing electrochemical mg-ion activityin mgcr2-xvxo4 spinel oxides. chemistry of materials, 2019.

doi: 10.1021/acs.chemmater.9b04206

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b04206

 

34. am:具有导电性,不流动性和催化能力的高氮掺杂的碳/石墨烯片用作高效的硫宿主

锂硫(li–s)电池被认为是下一代电化学能量存储最有希望的候选系统之一。该系统的主要挑战是多硫化物梭,它会导致电池差的循环效率。近日,广东工业大学zhan linchao chen等设计了一种高氮掺杂的碳/石墨烯(nc/g)板作为硫宿主,它结合了丰富的n活性位和高电导率的优点,从而实现了多硫化锂(lipss)的原位锚固-转化。

 

该材料不仅与lips具有强的结合力,而且还促进了氧化还原动力学,作者通过实验研究和理论研究都得到了证实。基于nc/g宿主的硫阴极具有1380 ma h g-1的高初始容量和出色的循环稳定性,在2c下500次循环中每个循环的容量衰减为0.037%。即使电解液中不添加lino3,也可以获得具有高硫负荷(5.6 mg cm-2)的稳定的areal容量。该工作表明了lips原位锚固-转换的重要性,为设计用于高性能li-s电池的多功能硫宿主提供了一种新策略。

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huifang xu, chao chen,* zhan lin,* et al.integrating conductivity, immobility, and catalytic ability into high‐n carbon/graphene sheets asan effective sulfur host. adv. mater.2019,

doi: 10.1002/adma.201906357

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906357

 

35. science advances: 抗膨胀结构助力稳定高载量li-s电池

li-s电池由于具有高理论能量密度因而有望取代现在的锂离子电池。然而,由于硫电极在脱嵌锂过程中的巨大体积膨胀以及由此导致的应力变化问题,当硫正极载量达到5-10mg/cm2时li-s电池的容量会发生严重衰减,这无疑对于发展可商用高比能二次li-s电池十分不利。

 

近日,澳大利亚莫纳什大学的mainak majumder等从颗粒团聚理论中的静电方法中得到启发将少量高模量粘结剂放置在相邻的电极颗粒之间,这样为电极体积膨胀和离子扩散预留出空间。这种抗膨胀的硫电极在载量高达15mg/cm2时仍然能够实现高达19mah/cm2的高面容量。如此厚的硫电极能够稳定循环超过200周且库伦效率高达99%。

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mahdokht shaibani, mainak majumder et al,expansion-tolerant architectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfurcathodes in lithium-sulfur batteries, science advances, 2020

doi: 10.1126/sciadv.aay2757

https://advances.sciencemag.org/content/6/1/eaay2757?rss=1

 

36. nano letters: 理论计算导向单原子催化剂设计助力快速长效li-s电池

li-s电池凭借其高理论能量密度、环境友好以及低成本等优势而有望成为新一代储能体系。然而,充放电过程中含硫物种的低电子电导、多硫化物的溶解流失、转化反应的缓慢动力学以及硫化锂的氧化等诸多问题严重限制了li-s电池的实际应用。最近,澳大利亚科廷大学的san ping jiang北京航空航天大学的qianfan zhang 以及美国斯坦福大学的崔屹教授等借助密度泛函理论的指导成功地在石墨烯基底上制备了一种单原子钒催化剂来解决上述问题。

 

这种单原子催化剂应用到li-s电池中后能够使硫含量高达80%的硫电极在3c的高倍率下实现高达645mah/g的比容量同时保持良好的循环稳定性。这种单原子催化剂显著改善了前置硫的还原反应和后续的li2s的氧化反应的动力学。实验结果和理论计算的一致性说明采用合理结构的单原子催化剂能够显著改善li-s电池的电化学性能。

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guangming zhou, san ping jiang, qianfan zhang,yi cui et al, theoretical calculation guided design of single-atom catalyststoward fast kinetic and long-life li–s batteries, nano letters, 2019

doi: 10.1021/acs.nanolett.9b04719

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04719

 

37. ensm:改变反应机理以消除锂硫电池的穿梭效应

锂硫(li-s)电池是最有前途的储能设备之一。然而,多硫化物的“穿梭效应”严重阻碍了锂硫电池的发展。到目前为止,几乎所有与硫正极有关的研究都采用多硫化物运动限制策略来抑制“穿梭效应”,但是,此问题仍然无法彻底解决。在此,湖南大学旷亚非教授等人报告了一种新的多硫化物生成限制策略,该方法通过使用合适的固体氧化还原介质(rms)在一开始的时候就将s8分子转变为稳定吸附的小硫物种s2σ−-rmσ ,从而消除li-s电池中的“穿梭效应”。

 

这样,介质(s2σ−-rmσ )被直接还原成li2s2和li2s,而在放电过程中没有形成可溶性多硫化物。因此,绝对消除了多硫化物(li2s8、li2s6和li2s4)的“穿梭效应”。通过使用tioxny-tio2量子点@碳复合材料(tionqds@c)作为硫宿主实现了这种新的多硫化物生成限制策略。事实证明,tionqds@c是将s8分子转化为稳定吸附的s2σ−-rmσ 物种的有效rm,完全消除了多硫化物的形成。由于采用了新机制,带有tionqds@c宿主的li-s电池在200个循环后达到869 mah g−1的容量(初始容量的96%),而每个循环的容量衰减仅为0.02%。该策略提供了一种彻底解决li-s电池“穿梭效应”的新方法。

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huanxinli, shuai ma, jiawen li, fuyu liu, haihui zhou, zhongyuan huang, shuqiang jiao,yafei kuang. altering the reaction mechanism to eliminate the shuttle effect inlithium-sulfur batteries. energy storage materials, 2020.

doi:10.1016/j.ensm.2020.01.002.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829720300027

 

38. ees综述:金属-硫电池中硫的共价固定

硫以其丰富的地球资源和双电子转移反应机制,推动了金属硫电池的快速发展。然而,金属硫电池的实际性能受到众所周知的硫电极工艺的限制,例如:低电导率、中间损耗、质量交叉等。通过物理限制和化学吸附效应的表面固定化策略可以稳定和促进硫转化反应。共价结合硫材料作为该领域的一种新兴方法,在金属硫电池中显示出良好的应用前景。硫的共价固定加强了硫和阴极基质之间的分子相互作用。近日,澳大利亚新南威尔士大学王大伟等研究人员,在这篇综述中,试图基于与各种可充电金属-硫电池中的共价含硫化合物和复合物有关的新兴研究来提出共价固定的概念。

 

首先,简要讨论了固硫策略的分类,并确定了用于金属硫电池的共价稳定硫的唯一性。其次,总结了最先进的基于共价硫的材料及其合成化学。第三,重点研究锂硫电池,其阴极具有共价硫活性材料,包括反应机理和材料创新。讨论了碱金属硫电池系统(钠硫和钾硫)中硫的共价固定的研究进展。最后,展望了利用共价固定策略优化硫氧化还原工艺的前景。预期本文将使共价固定硫受到关注,并鼓励在有机/聚合物化学、材料科学、电化学和能源技术这一具有挑战性的交叉学科领域做出更多努力。

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ruopian fang, jiangtao xu, dawei wang, et al. covalent fixing of sulfur inmetal-sulfur batteries. energy & environmental science, 2020.

doi: 10.1039/c9ee03408k

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee03408k#!divabstract

 


39. 崔光磊ensm:硫化硒正极与铜泡沫夹层助力镁电池

镁(mg)金属负极与硫(s)正极的结合具有使用安全、低成本、高能量密度等特点,是新一代电池技术的有力竞争者。然而,mg-s电化学反应的缓慢动力学和较差的可逆性是阻碍实际mg-s电池发展的两个主要挑战。基于此,青岛能源所的崔光磊团队基于s(高比容量)和se(高电导率)的互补特性,提出了ses2作为mg电池的优良正极。在这种设计的mg-ses2电池中,正极和隔膜之间具有cu泡沫中间层,ses2与有序介孔碳(ses2/cmk3)组成的复合材料表现出令人印象深刻的电化学性能。

 

正极侧电化学演化的各种特征表明,cu泡沫中间层不仅可以通过快速化学固定cu泡沫上的多硫化物(多硒化物)来充当捕集层,同时还通过硫化铜(硒化铜)与mg2 之间的可逆置换反应,起到“促进剂”的作用,推动整体充放电动力学。得益于ses2/cmk3的独特优势和合理设计的cu中间层,这种新型的镁-ses2系统为开发低成本、高容量、大电流的可充电镁电池提供了一种可行的策略。

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aobingdu, yimin zhao, zhonghua zhang, shanmu dong, zili cui, kun tang, chenglong lu,pengxian han, xinhong zhou, guanglei cui. selenium sulfide cathode with copperfoam interlayer for promising magnesium electrochemistry. energy storagematerials,2019.

doi:10.1016/j.ensm.2019.12.030

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829719311080

 

40. nano energy: 锂金属负极的原位保护助力离子液体基li-ses2电池

基于ses2的复合物由于具有比单独se更高的理论比容量和比单独硫更少的穿梭效应因而被视为新一代锂金属电池的理想正极材料。然而,li-ses2电池的发展仍然面临着两个挑战:一个是金属锂负极无法在长期电化学循环过程中保持功能化界面的稳定;另一个是ses2正极无法再高倍率下保持优异的电化学性能。最近,美国华盛顿州立大学的min-kyu song等通过向电解液中同时引入吡咯烷基离子液体和lino3添加剂在金属锂负极表面原位构建了一层富含lif和li3n的保护层。

 

这种保护层在长期电化学循环中形貌几乎不会变化,而且能够抑制锂枝晶的生长,抑制金属锂负极与可溶性正极中间产物的副反应。保护后的锂金属负极能够在2ma/cm2的电流密度下保持长达400h的稳定的沉积-剥离循环,这对于金属锂电池的安全工作至关重要。研究人员将这种锂负极与三维互联分级ses2正极匹配为全电池后,li-ses2全电池能够在高达98.9%的库伦效率下稳定工作500周。该研究结果表明,通过原位形成保护层并结合功能性正极结构设计能够显著改善金属锂电池的电化学性能。


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panpandong, min-kyu song et al, in situ surface protection of lithium metal anode in lithium–selenium disulfide batterieswith ionic liquid-based electrolytes, nano energy, 2019

doi:10.1016/j.nanoen.2019.104434

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/s2211285519311516?dgcid=rss_sd_all#!

 

41. am:还原氧化石墨烯(rgo)实现平面锂层的定向生长

锂(li)金属负极凭借着高的理论容量(3860mah g−1)和低的氧化还原电位(−3.04v vs. nhe)在可充电锂金属电池(lmb)中具有巨大潜力,尤其是锂硫(li-s)电池。然而,锂枝晶的不可控生长阻碍了锂负极在高能安全电池中的应用。关于锂负极的研究很多,但很少关注锂金属的固有电结晶特性及其潜在机理。基于此,西北工业大学的谢科予教授北德克萨斯大学的zhenhai xia特拉华大学的bingqing wei合作,在自组装的还原氧化石墨烯(rgo)上实现了平面锂层的引导生长,而不是随机生长。采用原位光学观测的方法对该平面li层的形态演变进行了监测。

 

此外,使用第一性原理分子动力学模拟揭示了电沉积/剥离过程中的潜在机理。实验和模拟结果表明,当li原子沉积在rgo上时,由于li与rgo衬底之间的平面晶格匹配良好,li原子的每一层都沿着li晶体的(110)晶面生长,从而导致了li的平面沉积。基于这种特殊的形貌特征,制备了一种具有高度柔性的以rgo引导的平面li层作为负极的锂硫(li-s)全电池,其具有稳定的循环性能、高比能和功率密度。这项工作丰富了对锂电结晶无枝晶的基本理解,并为实际应用提供了指导。

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nan li, kun zhang, keyu xie, wenfei wei, yonggao, maohui bai, yuliang gao, qian hou, chao shen, zhenhai xia, bingqing wei.reduced-graphene-oxide-guided directional growth of planar lithium layers. advancedmaterials, 2019, 1907079.

doi: 10.1002/adma.201907079

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907079

 

42. ensm:多孔石墨烯/mgf2框架实现高能密度锂金属电池

对于实用的锂金属电池来说,最大的挑战是如何充分,可逆地利用锂负极。带有大量锂成核位点的预制三维(3d)多孔骨架能够引导锂沉积在3d骨架的空腔中,从而抑制枝晶生长和尺寸变化。基于此,华南理工大学的丘勇才教授浙江大学的陆盈盈教授合作设计了一种由3d石墨烯和mgxliy晶种构成的纳米胶囊结构的锂金属负极。

 

3d复合负极不仅可以通过简单且可扩展的方法制备,还可以满足实际电池中高能量密度和长循环寿命的要求。通过透射电子显微镜观察锂沉积时,发现锂金属主要沉积在3d石墨烯内的mgxliy晶种周围。将复合负极与商用lifepo4正极和ncm811(lini0.8co0.1mn0.1o2)正极组装成软包电池时,其能够提供超过350 wh·kg−1的能量密度和长循环寿命(>150个循环),并具有较高的能量保留率(>85%)。这项工作中的3d锂金属/石墨烯复合负极为高能量密度锂金属电池的制造提供了有希望的新途径。

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qingshuai xu, xianfeng yang, mumin rao,dingchang lin, kai yan, ruian du, jiantie xu, yuegang zhang, daiqi ye, shiheyang, guangmin zhou, yingying lu, yongcai qiu. high energy density lithium metalbatteries enabled by a porous graphene/mgf2 framework. energy storagematerials, 2019.

doi: 10.1016/j.ensm.2019.12.028

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829719311067

 

43. angew:通过控制酯基电解液中的溶剂化结构实现高压金属锂电池

电解质在电化学储能系统中起着重要的作用,特别是在锂基可充电电池中。然而,金属锂负极的广泛应用受到枝晶生长和库仑效率低的严重阻碍,特别是在酯类溶剂中。基于此,中国科学技术大学焦淑红团队通过合理地使用高施主数的溶剂来控制电解质的溶剂化结构,成功地证明了它可以提高硝酸锂在酯基电解质中的溶解度,从而使高压金属锂电池成为可能。

 

值得注意的是,在稳定的恒流锂电镀/剥离循环过程中,具有高浓度lino3添加剂的电解液具有高达98.8%的优异库仑效率。硝酸根离子可以调节锂离子的溶剂化鞘,从而调节锂金属负极上sei层的组成和结构。以锂镍锰钴氧化物为正极,金属锂为负极的全电池表现出稳定的循环性能,表现出较慢的容量衰减,经过50次循环后,其容量保持率仍有93%。该方法为开发高压金属锂电池提供了一种有效的电解液调控策略。

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shuhong jiao, yulin jie, xiaojing liu, zhanwulei, shiyang wang, yawei chen, fanyang huang, ruiguo cao, genqiang zhang.enabling high voltage lithium metal batteries by manipulating solvationstructure in ester electrolyte. angewandte chemie international edition 2019.

doi: 10.1002/anie.201914250

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201914250

 

44. nano energy : 新颖s掺杂介孔纳米碳球做锂金属负极

锂金属具有很高的能量密度,被认为是下一代锂电池的理想负极材料。但是,由于锂的不均匀沉积和不稳定的固体电解质膜sei使得锂金属作为负极的库伦效率低下和安全性能堪忧。近日,上海师范大学李和兴和张昉等人报道了一种原位合成具有有序介孔孔道结构的s掺杂纳米碳球做为安全稳定锂负极的功能支架材料。s掺杂、大比表面积和有序介孔结构给碳球提供了同质成核位点、控制局部电流和促进传质,使得锂均匀成核且无树突成长。

 

制造出的锂负极展现出很高的库伦效率,220圈循环后库伦效率仍有97.5%。在0.5 ma cm-2 电流密度下经过1600 h的超长循环后,制备的负极li@smc仍然展现出低于15 mv的电压滞后。li@smc与商用lifepo4  组成全电池之后,其在1.0 c 条件下循环300圈之后的可逆容量为135.0 mah g-1,表现出s掺杂介孔碳球有作为稳定锂金属负极的商用价值。这个工作提供了合理设计碳骨架结构制备稳定锂负极的策略。

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zhang, f.; liu, x.; yang, m.; cao, x.; huang, x.;tian, y.; zhang, f.; li, h., novel s-doped ordered mesoporous carbonnanospheres toward advanced lithium metal anodes. nano energy, 2019, 104443.

doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104443

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104443

 

45. nature nanotech.:锂枝晶生长和原位原子力显微镜-环境透射电子显微镜装置中的应力产生

金属锂被认为是未来可充电电池的最终负极材料,但是由于不可控的锂枝晶生长,基于锂金属的可充电电池的开发仅取得了有限的成功。在广泛的全固态锂电池中,一种抑制锂枝晶生长的方法是使用机械上坚硬的固体电解质。但是,锂枝晶仍然能通过它们生长。解决这个问题需要对锂枝晶的生长及其相关的电化学机械行为有一个基本的了解。

 

在此,燕山大学的黄建宇教授等人通过在新的实验装置中将原子力显微镜与环境透射电子显微镜结合在一起,报告了单个li晶须(主要的li枝晶形态)的原位生长观察和应力测量。在室温下,亚微米晶须在施加于原子力显微镜尖端的电压(超电势)下生长,产生高达130 mpa的生长应力。该值显著高于先前报道的大体积和微米级li的应力。在纯机械载荷下测得的锂晶须的屈服强度高达244 mpa。这一结果为全固态电池中锂枝晶生长抑制策略的设计提供了定量基准。

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liqiang zhang, tingting yang, congcong du,qiunan liu, yushu tang, jun zhao, baolin wang, tianwu chen, yong sun, peng jia,hui li, lin geng, jingzhao chen, hongjun ye, zaifa wang, yanshuai li, haimingsun, xiaomei li, qiushi dai, yongfu tang, qiuming peng, tongde shen, sulinzhang, ting zhu, jianyu huang. lithium whisker growth and stress generation inan in situ atomic force microscope–environmental transmission electron microscope set-up. naturenanotechnology, 2020.

doi: 10.1038/s41565-019-0604-x

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0604-x

 

46. nano energy:三维超离子导体框架助力动力学热力学双重稳定的钠金属负极

金属钠负极凭借高理论比容量和丰富的原料来源等优势吸引了诸多关注,然而不可控的钠枝晶生长严重限制了其实际应用。金属钠负极的工作过程包括钠的成核、生长和溶解三个阶段,对这三个反应的热力学和动力学行为进行调控有望实现稳定的金属钠负极。在本文中,同济大学的xiaoli zhaoxiaowei wang等发现将超离子导体na3v2(po4)3(nvp)框架作为调控媒介能够对成核、生长和溶解这三个过程进行连续的调控。

 

na 在初期能够在nvp中发生嵌入提高金属na和nvp框架的亲和性,从而有助于降低成核势垒和形成均匀的钠离子流。更为重要的是,这种快离子导体为na 的迁移提供了快速通道,从而使得电化学极化降低并有助于钠离子的均匀分布。因此,nvp修饰的金属钠负极不管在半电池中还是全电池中都表现出优异的倍率性能和循环稳定性。该工作为发展动力学和热力学稳定的金属钠负极提供了一种新思路。

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minguo, xiaoli zhao, xiaowei wang et al, three dimensional frameworks of superionic conductor for thermodynamically and dynamically favorable sodium metal anode,nano energy, 2020

doi:10.1016/j.nanoen.2020.104479

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2211285520300367?dgcid=rss_sd_all#!

 

47. nano energy: 理解碳酸酯电解液中锂沉积电势的下降

锂金属凭借其高理论比容量和低氧化还原电势而成为备受瞩目的高比能电池负极材料。碳酸酯电解液由于具有较宽的电化学稳定窗口因而在金属锂电池的发展中吸引了诸多关注。然而,人们发现在碳酸酯电解液中金属锂的沉积电池经常会下降,这容易造成电池过充以及能量转换效率低和全电池能量密度低等问题。最近,中科院物理所的xuefeng wangzhaoxiang wang等利用电化学评估方法和物理表征手段对商品化lipf6-ec/dmc电解液中的锂沉积电势下降的原因进行了详细研究。

 

研究人员发现sei膜中有机物种roco2li和roli在锂沉积-剥离过程中的持续分解与形成是造成沉积电势下降的罪魁祸首!该研究工作为抑制锂金属负极在碳酸酯电解液中的电势下降、提高能量密度和能量转换效率扫清了障碍。

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simeng zhang, xuefeng wang, zhaoxiang wang et al,understanding the dropping of lithium plating potential in carbonateelectrolyte, nanoenergy, 2020

doi:10.1016/j.nanoen.2020.104486

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2211285520300434?dgcid=rss_sd_all#!

 

48. aem: 无晶种选择性沉积实现金属锂负极的稳定纳米封装

锂金属被视为未来高比能二次电池的最佳负极材料选择。然而,锂金属负极的实际应用仍然受到包括体积膨胀、sei膜不稳定以及枝晶生长等问题的阻碍。在本文中,厦门大学的王鸣生教授团队提出了纳米封装电极材料的概念以期解决上述问题。研究人员通过简单廉价的方法制备了氮掺杂的中空多孔碳球来用作纳米封装材料。

 

每一个中空多孔碳球都具有亲锂的碳壳,碳壳的内表面是致密的富氮层,能够使得金属锂的沉积优先发生在碳球内部。原位电子显微镜技术证实了这些氮掺杂中空多孔碳球能够可逆稳定的重复进行金属锂的封装。在单个碳球内部能够实现长达50周的金属锂的沉积-剥离循环。锂离子能够穿过多个相连的中空碳球实现长程有序的均匀沉积。相比较而言,其他具有修饰性壳结构的碳球都无法实现对锂的封装和对锂枝晶的抑制。因此,该工作证实了特定碳壳设计对于实现金属锂的封装的必要性。

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weibin ye, mingsheng wang et al, stable nano‐encapsulation of lithiumthrough seed‐free selective deposition for high‐performance li battery anodes, advanced energy materials, 2020

doi:10.1002/aenm.201902956

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902956?af=r

 

49. acs nano:锚定单原子锌层的mxene(ti3c2clx)负极,告别锂枝晶!

随着电子汽车以及便携式电子设备的飞速发展,基于石墨负极的商用锂离子电池(lib)由于能量密度低而无法满足其要求。锂金属成为最有前景的锂基电池负极之一,因为它具有较高的理论重量容量(3860 mah g–1)和低电势(3.04 v vs she)。不幸的是,由于锂离子的不均匀分散,锂负极往往会产生无法控制的枝晶。此外,锂体积的无限变化和高化学还原性进一步使固体电解质界面(sei)膜易碎,消耗锂和电解质。这些问题通常会导致循环寿命短,库仑效率(ce)低,能量密度低,甚至锂电池短路,从而妨碍了其实际应用。

 

近日,北京航空航天大学杨树斌等人使用了一种将单个锌原子固定在mxene(ti3c2clx)层(zn-mxene)上的方法来有效地诱导li成核和生长。在最初的沉积阶段,由于存在大量的锌原子,锂倾向于在zn-mxene层的表面上均匀地成核,然后由于边缘处存在强烈的避雷针效应,沿着成核的位置垂直生长,从而形成没有锂枝晶的碗状锂。因此,通过使用zn-mxene膜作为锂负极,可获得11.3±0.1 mv的低过电势,长的循环寿命(1200 h)以及高达40 mah cm–2的深度剥离-沉积水平。

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jianangu, qi zhu, yongzheng shi, hao chen, di zhang, zhiguo du, shubin yang, singlezinc atoms immobilized on mxene (ti3c2clx) layers toward dendrite-free lithiummetal anodes, acs nano, 2020

doi:10.1021/acsnano.9b08141

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b08141

 

50. ensm:重构海绵状泡沫铜作为稳健的金属锂负极基体

锂晶体的不可控制的生长以及循环期间的体积往复变化限制了锂金属负极在电池中的实际应用。具有相互连接的三维(3d)导电骨架多孔材料有望作为理想的锂负极载体,通过降低局部电流密度和li成核势垒来促进锂原子的均匀沉积。但是,用于3d导电框架的表面改性技术既复杂又昂贵,并且这些载体材料中的大多数只能在较小的电流密度下提供浅循环。近日,清华大学深圳研究生院李宝华教授等人提出了一种新的策略,通过多硫化物辅助重建方法,制造出具有蚁巢样多孔骨架的裂纹泡沫铜(rcf)。

 

相互连接的导电铜网络骨架具有较大的亲脂性表面,可以使锂均匀且深入地沉积到rcf的内部空间中。独特的类似蚂蚁巢的内部通道不仅赋予了rcf很高的接纳锂能力,而且还避免了锂负极在循环过程中的体积波动。因此,rcf改性的锂负极具有出色的循环稳定性,在1 ma cm-2下经过660次循环后,库伦效率高达99%,在3 ma cm-2的大电流密度下,在200 h内仅仅只有30 mv的过电位。更重要的是,全电池与实用水平匹配的lifepo4正极在高电流密度下同样表现出卓越的性能。

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kuilin, xiaofuxu, xianyingqin, guoqiangzhang,mingliu, fengzhenglv, yuexia, feiyukang, guohuachen, baohuali. restructuredrimous copper foam as robust lithium host. energy storage materials, 2020

doi: 10.1016/j.ensm.2020.01.001

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.01.001

 

51. ensm: 具有高电导率的准固态单zn 导体,使消除锌枝晶成为可能

近年来,锂离子电池作为最常见的能量存储设备,已经被应用于人们生活的方方面面。然而由于锂资源有限和潜在的安全问题,人们逐步开始研究用来代替锂离子电池的下一代储能系统,即水性锌离子电池(zibs)。在zib中,金属zn由于其安全性,无毒,在水溶液中具有稳定的氧化还原电势(相对于标准氢电极为-0.763 v)以及相对较高的容量密度5855 mah cm-3(820 mah g-1)而被广泛用作负极材料。然而,在znso4电解液在循环过程中,锌枝晶和副产物(如zn4(oh)6so4·nh2o,zno等)的形成导致库仑效率(ce)较低和zibs循环寿命差的问题。锌离子水电池(zibs)在大规模储能领域具有巨大潜力。但是,在锌负极上形成枝晶阻碍了zibs的实际应用。近日,北京大学深圳研究生院潘峰等人制备全氟磺酸锌膜(zpsam)作为准固体单离子导体。

 

在该膜中,zn离子与具有有限自由度的带负电荷的支链一起移动,形成快速的zn离子传输通道。因此,zpsam表现出高电导率(约1.17×10-3 scm-1),能在2 ma cm-2的电流密度下实现2000个稳定循环。此外,由于在膜中的阴离子基质有限,因此枝晶的形成和副反应均得到有效抑制。最后,通过将电解质应用于水性超级电容器和锌离子电池中,可以显着提高循环性能。这项工作证明了在中性水性介质中实际使用锌金属负极的前景,因此有利于开发出更低成本,高性能的水性储能装置。

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yanhuicui,qinghezhao, xiaojunwu, zijianwang, runzhiqin, yuetaowang, mingqiangliu,yonglisong, guoyuqian, zhibosong, luyiyang, fengpan. quasi-solid single zn-ionconductor with high conductivity enabling dendrite-free zn metal anode. energystorage materials, 2020

doi:10.1016/j.ensm.2020.01.003

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.01.003

 

52. adv. sci.: mg掺杂的li-lib合金与三维亲锂lib骨架助力稳定金属锂负极

高能量密度的锂金属电池正在逐渐成为最受关注的新一代储能器件。然而,锂负极在电化学循环过程中不可控的枝晶生长和无限的体积膨胀等问题严重限制了其实际应用。最近,中南大学冶金研究院的陈立宝教授苏州大学晏成林教授以及武汉理工大学麦立强教授等联合报道发现在三维亲锂性lib骨架上原位生成的的mg掺杂li-lib合金层能够抑制枝晶生长和体积膨胀。

 

这种三维lib骨架表现出良好的亲锂特性和导电性,因此有利于降低局部电流密度和重新分布原本不均匀的锂离子流。研究人员将金属mg引入后发现li-mg-b复合物能够使得对称电池在0.5ma/cm2的电流密度下稳定循环超过500小时而不发生短路。此外,使用这种复合合金层修饰的金属锂负极与licoo2正极匹配得到的全电池也具有更优异的电化学性能。这种三维li-mg-b复合负极为发展实用性锂金属电池开辟了新的道路。

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chen wu, libao chen, chenglin yan, liqiang maiet al, mg doped li–lib alloy with in situ formed lithiophilic lib skeleton for lithium metalbatteries, advanced science, 2020

doi: 10.1002/advs.201902643

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902643?af=r

 

53. acs nano: ti3c2txmxene界面层助力高载量锂碘电池稳定性

随着人们生活的进步,也对储能系统提出了越来越严格的要求。包含碘正极和锂金属负极的可充电锂碘(li-i2)电池有望满足这些需求。这些系统具有较高的工作电压(平均工作电压为2.9 v),较高的理论容量(211 mah g–1)和良好的倍率性能。此外,碘的含量极为丰富使锂离子电池比同等电池在经济上更经济。因而使得锂碘(li-i2)电池成为下一代电化学能量存储系统的有希望的候选者。然而,碘和碘化物的溶解阻碍了它们的实际应用进程。近日,南开大学梁嘉杰湖南师范大学jie qu江苏师范大学chao lai等人提出了具有三维分层多孔结构的ti3c2txmxene泡沫作为li-i2电池中的正极-电解质界面层,在高碘含量和高载量下实现了高倍率和极稳定的循环性能。

 

理论计算和经验表征表明,具有高金属电导率的ti3c2txmxene片不仅与碘形成极强的化学键合以抑制穿梭效应,而且还促进了循环过程中的氧化还原反应。结果表明,即使使用5.2 mg cm–2的超高载量,使用含70%重量百分比i2的正极的li-i2电池也可以2 c的倍率稳定循环1000多次,这是有报道以来的最高负载量。这项工作表明,使用ti3c2txmxene界面层可以实现高能li-i2电池的构筑和应用。

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chuangsun, xinlei shi, yabo zhang, jiajie liang, jie qu, chao lai, ti3c2tx mxeneinterface layer driving ultra-stable lithium-iodine batteries with both highiodine content and mass loading, acs nano,2020

doi:10.1021/acsnano.9b09541

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b09541

 

 


54. nano energy:通过可控的cl掺杂实现lps固态电解质的超高离子电导率

全固态锂电池由于具有比常规液体锂离子电池更高的能量和功率密度而备受关注。为了获得具有良好电化学性能的全固态电池,需要具有高离子电导率的固体电解质。据报道,通过各种合成路线制备的锂银辉石lps,其室温锂离子电导率约为10-3 s/cm,是目前最具有前景的固态电解质材料之一。近日,加拿大西安大略大学孙学良教授通过引入cl可以使结构中的s/cl无序化来改善锂锰矿的锂离子传导性。li5.7ps4.7cl1.3的超快室温锂离子电导率达到6.4 ms/cm。

 

作者系统地研究了li7-xps6-xclx(x=1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9)的合成参数,以获得具有高离子电导率的纯的锂银辉石相,并利用交流阻抗谱和7li自旋晶格弛豫nmr来证明是由于掺入cl引起的锂离子电导率的提高。分子动力学(aimd)模拟证明,cl的引入可以有效减小锂离子迁移在短扩散尺度和长扩散尺度上的能垒。使用包覆有linbo3的lini0.8mn0.1co0.1o2阴极和li5.7ps4.7cl1.3固体电解质的全固态锂电池在较高的电流密度下显示出更高的放电容量和出色的循环性能。eis和恒电流间歇滴定技术(gitt)进一步证实,提升的电化学性能可以来自于减小的电压极化和正极与固体电解质之间的界面电阻的降低。

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c. yu, y. li, m.j. willans, y. zhao, k.r.adair, f. zhao, w. li, s. deng, j. liang, m.n. banis, r. li, h. huang, l.zhang, r. yang, s. lu, y. huang, x. sun, superionic conductivity in lithiumargyrodite solid-state electrolyte by controlled cl-doping.nano energy,2019, s2211-2855(19)31110-3

doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104396

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104396

 

55. ensm:高性能3d互连聚合物/陶瓷复合薄膜固体电解质

固体电解质有望使锂金属替代传统的石墨负极,从而显著提高锂离子电池的容量和能量密度。固体电解质主要有两类,即基于无机氧化物或硫化物的电解质和基于聚合物的电解质。无机电解质具有极好的离子电导率(10−4–10−2 s/cm),但它们具有脆性和难以加工的缺点。固体聚合物电解质的优点是柔韧性好,成本低廉,对电极的附着力好,但通常具有较低的室温离子电导率和不足以阻止枝晶生长的机械模量。

 

基于此,美国橡树岭国家实验室的sergiykalnausx. chelseachena合作通过一种易扩展的处理方法开发了一种具有互连陶瓷结构的复合固体电解质膜。这种膜薄,具有良好的离子导电性和机械强度,且具有良好的可制造性,可用于锂金属电池。首先,通过可水洗的喷涂工艺形成厚度约为25 μm的掺杂锂铝钛磷酸盐陶瓷薄膜,而后膜被部分烧结以形成具有致密骨架的三维互连结构,然后用可交联的聚环氧乙烷(peo)基聚合物电解质回填。该复合材料的陶瓷负载量非常高,为77 wt%(61 vol%),在20 °c下的离子电导率为3.5×10 −5 s/cm,活化能为0.43 ev。建模预测和实验验证表明离子的主要传输途径是陶瓷网络。得益于陶瓷的互连结构,复合电解质的机械强度得到大幅提升。

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max j. palmer, sergiy kalnaus, marm b. dixit,andrew s. westover, kelsey b. hatzell, nancy j. dudney, x. chelsea chen. athree-dimensional interconnected polymer/ceramic composite as a thin film solidelectrolyte. energy storage materials, 2019.

doi: 10.1016/j.ensm.2019.12.031

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829719311092


56. adv. sci.:长循环寿命的有机多硫化物电解质,用于可充电锂电池

具有锂化活性位点的有机化合物可作为锂电池的电极材料。他们的可调结构允许各种材料的制作和研究。因此,郑州大学的付永柱团队以二吡啶二硫(py2s2)和单质硫为原料,通过一锅合成法,制备了一系列的二吡啶多硫化物(py2sx, 3≤x≤8)电解质。它可提供多达七个二吡啶基多硫化物(即py2s3,py2s4,py2s5,py2s6,py2s7和py2s8),在锂电池中表现出完全可逆的电化学行为。

 

在放电过程中,初始锂化发生在2.45 v,导致py2sx中的sα–sβ键断裂,并形成2-吡啶硫醇锂,其中锂在n和s原子之间配位。剩余的硫充当单质硫,在2.3和2.1 v时显示两个电压平稳状态。分子动力学模拟表明,吡啶基和多硫化锂/硫化锂之间通过n···li···s键相互吸引,从而使可溶性放电产物在电极内保持良好并具有稳定的循环性能。在充电过程中,低阶py2sx(例如py2s3,py2s4和py2s5)保留为充电产品。混合物电解质在1 c倍率下在1200个循环后仍有70.5%的容量保持率,显示出超长的循环寿命。

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dan-yang wang, yubing si, wei guo, yongzhu fu.long cycle life organic polysulfide catholyte for rechargeable lithiumbatteries. advanced science 2019, 1902646.

doi: 10.1002/advs.201902646

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201902646

 

57. nano energy:多功能芳纶纳米纤维助力全固态锂电聚合物电解质全面升级

令人满意的离子电导率和机械稳定性是固体聚合物电解质在锂离子电池中应用的先决条件。在此,华北电力大学的李美成教授团队通过使用芳香族聚酰胺纳米纤维(anfs)作为多功能纳米添加剂,通过1d anfs之间的氢键相互作用,实现了具有3d anf网络框架的聚环氧乙烷(peo)-litfsi电解质的全面升级。anf与peo链和tfsi阴离子之间的氢键相互作用可以极大地防止anf团聚,抑制peo结晶,促进litfsi的离解并延长3d anf骨架/peo-litfsi界面上的离子传输路径。

 

因此,anf改性的电解质显示出8.8×10−5 s cm−1的优异的室温电导率。归因于3d anf框架,含anf的复合电解质还表现出极大的机械强度,热稳定性,电化学稳定性和抑制锂枝晶的能力。结果,基于复合电解质的lifepo4/li电池表现出更好的倍率性能和循环稳定性(例如,在0.4c下100次循环后为135 mah g−1)。这项工作提供了一种新颖有效的策略,可以通过在复合电解质设计中采用有机纳米填料来全面升级的聚合物电解质,并揭示离子输运机制,从而有望实现全固态锂离子电池应用。

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lehaoliu, jing lyu, jinshan mo, hejin yan, lele xu, peng peng, jingru li, bingjiang, lihua chu, meicheng li. comprehensively-upgraded polymer electrolytes bymultifunctional aramid nanofibers for stable all-solid-state li-ion batteries.nano energy, 2020.

doi:10.1016/j.nanoen.2019.104398

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2211285519311127

 

58. angew:增强的表面相互作用实现快速li 传导的氧化物/聚合物复合电解质

开发低成本、高能量密度、长循环寿命的安全可充电锂离子电池,对于满足电动汽车等不同储能应用日益增长的需求具有重要意义。固态锂电池被认为是高能量密度和高安全性可充电锂离子电池的最终选择。然而li 固体电解质(包括无机、聚合物和无机/聚合物复合材料)在工业规模上仍无法竞争性地生产,因为开发具有高li 电导率,低成本的薄固体电解质膜仍然是一项挑战。与li -绝缘氧化物相比,li -导电氧化物被认为是更好的陶瓷填料,因为它们具有通过陶瓷氧化物以及穿过氧化物/聚合物界面传导li 的能力,从而改善了复合聚合物电解质中的li 电导率。

 

在此,德克萨斯大学奥斯汀分校的goodenough团队使用两种具有高氧空位的li -绝缘氧化物(萤石型gd0.1ce0.9o1.95和钙钛矿la0.8sr0.2ga0.8mg0.2o2.55)来证明两种氧化物/聚环氧乙烷(peo)基聚合物复合电解质,在30 °c时,li 电导率均高于10−4 scm−1。li固态核磁共振结果显示,li 离子的增加(>10%)占据了复合电解质中更具流动性的a2环境。a2位占有率的增加源自锂盐阴离子的o2与每种氧化物的表面氧空位之间的强相互作用,并有助于更便捷的li 传输。具有这些复合电解质的全固态锂金属电池在35 °c时表现出较小的界面电阻和良好的循环性能。

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nan wu, po−hsiu chien, yumin qian, yutao li, henghui xu,nicholas s. grundish, biyi xu, haibo jin, yan−yan hu,guihua yu, john b. goodenough. enhanced surface interactions enable fast li conduction in oxide/polymer composite electrolyte. angewandte chemieinternational edition 2019.

doi: 10.1002/anie.201914478

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201914478

 

59. chem. mater.:在硼氢化锂结构中引入氨硼烷基团为室温固态电池提供超快的锂离子电导率

目前,由于有机液体电解质的高度易燃,安全问题仍然是传统锂离子电池面临的关键挑战。制造全固态电池(assbs)被认为是这个问题的最终凯发真人平台的解决方案。然而在室温下具有快速锂离子传导性的固态电解质是所有固态锂离子电池发展的主要挑战。基于此,浙江大学刘永锋团队演示了一种新型的室温超快锂离子导体,硼氢化锂氨硼烷络合物((libh4)x•ab)。将ab掺入libh4结构中本质上增加了晶胞体积并降低了li离子的体积密度,这实质上促进了li离子的传导。libh4•ab络合物在25 °c时可提供高达4.04×10-4 s cm-1的离子传导率,而电子传导率几乎可以忽略不计。

 

在40 °c下,锂离子的迁移数高于0.999。在相同条件下获得的室温锂离子电导率大大优于先前报道的其他基于libh4的固态电解质。此外,超快的锂离子传导在加热和冷却循环(18–55 ºc)时保持稳定。第一性原理动力学模拟显示了一种沿libh4•ab结构中b方向的一维li扩散通道,该通道提供了非常低的活化能垒(0.12 ev),因此在室温下具有优异的锂离子传导性。

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huan liu, zhuanghe ren, xin zhang, jianjianghu, mingxia gao, hongge pan, yongfeng liu. incorporation of ammonia boranegroups in lithium borohydide structure enables ultrafast lithium ionconductivity at room temperature for solid state batteries. chemistry ofmaterials, 2019.

doi: 10.1021/acs.chemmater.9b03188

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b03188

 

60. acs energy lett.:用于全固态锂离子电池的高压超离子卤化物固体电解质

采用无机固体电解质(ses)的大容量全固态锂离子电池(assbs)被认为是大型储能设备的潜在候选者,因为它们消除了液体成分并有望将锂金属用于负极进一步提高能量密度。硫代磷酸盐基材料很受欢迎,但是这些硫化物的负极稳定性差,并且需要在锂金属氧化物正极上进行特殊涂层。此外,针对高能量密度的电极设计受到其狭窄的电化学稳定窗口的限制。考虑到对ses的多种要求,包括高离子导电性、延展性以及氧化稳定性,认为氯化物是最合理的选择之一。

 

在此,滑铁卢大学linda f. nazara等人报道了一种新的混合金属卤化物li3-xm1-xzrxcl6(m=y、er)ses,其在25 °c时具有高达1.4 ms cm−1的高离子电导率,并且对高压稳定。zr取代m(m=y、er)时,伴随着三角向正交晶系的相变,中子衍射和单晶xrd的结合使用揭示了一个新的框架。这些氯化物ses出色的电化学氧化稳定性直接在全电池中得到了证实,这使得可以使用未涂覆任何保护性涂层的4 v级正极材料而没有任何明显的氧化界面分解。assbs展示了其优越的性能,在室温下高达4.5 v的循环稳定性使该电解质具有良好的前景。这些进展为assbs的实用设计带来了重要突破。

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kern-hopark, kavish kaup, abdeljalil assoud, qiang zhang, xiaohan wu, linda f. nazar.high voltage superionic halide solid electrolytes for all-solid-state li-ionbatteries. acs energy letters, 2020.

doi:10.1021/acsenergylett.9b02599

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02599

 

61. ensm:高压固态锂电池用复合多孔聚合物电解质膜

装有液体有机电解质的常规锂离子电池通常遭受挥发,可燃性和爆炸的潜在安全风险。而具有不可燃性优点的薄型固态电解质,特别是复合固体电解质(cse),已经引起人们对同时兼具高能量密度和高安全性的先进锂电池技术的关注。近日,北京科技大学范丽珍教授等人提出三维(3d)纤维网络增强的cse,主要由坚固的多孔聚酰亚胺(pi)膜作为主体,li6.75la3zr1.75ta0.25o12(llzto)纳米颗粒和使用双三氟甲磺酰亚胺锂盐为电解质的聚偏二乙烯(pvdf)聚合物作为基体。

 

这种具有pi纤维网络的独特3d结构可保持llzto在pvdf中的均匀分散,具有连续的锂离子传递路径并有效防止了锂晶体的生长,因此具有优化的机械性能(11.5 mpa的高拉伸强度)和高循环稳定性(更多li对称电池的循环时间超过1000小时)。此外,带有pi-pvdf/llzto cse的固态lini0.5co0.2mn0.3o2/li袋式电池在室温下表现出出色的循环稳定性(152.6 ma h g-1,在0.1 c下容量保持94.9%,经历80个循环后),同时具有高功能性和安全性(能承受恶劣的环境,例如折叠,切割和钉子穿透)。

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jiangkuihu,pinggehe, bochen zhang, bingyao wang, li–zhen fan, porous film host-derived 3d composite polymer electrolytefor high-voltage solid state lithium batteries, energy storage materials,2020

doi:10.1016/j.ensm.2020.01.006

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.01.006

 


62. angew: 具有出色的低温性能的柔性可充电锌-空气电池

快速兴起的柔性电子设备可以为我们的生活提供了更多便利,并带来了多方面的新体验,这些体验有望极大地改变我们的日常生活。同时也迫切需要相匹配的柔性储能设备为这些新型柔性电子设备供电。柔性锌空气电池(zab)由于其较高的理论储能密度(重量和体积能量密度),卓越的安全性和成本效益而成为最有希望的柔性电池候选者之一,但是基于催化的工作原理和独特的半开式结构对其在整体的低温性能提出了严峻考验。

 

近日,悉尼大学陈元教授等人率先开发了第一款具有出色的低温适应性的柔性可充电锌空气电池,它使用了新型的电催化剂(可抵消因温度降低而导致的电化学性能下降)和具有极化端基官能团的高导电性水凝胶,从而具有优异的抗冻性。制成的zab具有出色的电化学性能,在室温下优于许多水性zab。它还在-20°c时提供691 mah g-1的高容量和798 wh kg-1的能量密度,以及出色的灵活性和还原能力,从而实现了柔性zab中最佳的低温性能。


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zengxia pei, ziwen yuan, chaojun wang,shenlong zhao, jingyuan fei, li wei, junsheng chen, cheng wang, rongjie qi,zongwen liu, yuan chen, flexible rechargeable zinc‐air battery with excellentlow‐temperature adaptability, angew. chem. int.ed. 2020

doi: 10.1002/anie.201915836

https://doi.org/10.1002/anie.201915836

 


63. aem:基于复合rgo的二硫化硒负极与硼氮共掺杂碳正极的高能锂电容器

作为一种有前景的储能设备,锂离子电池(lib)虽然具有较高的能量密度,但循环寿命和功率密度远低于超级电容器(sc)。具有电容器型正极和电池型负极的锂离子电容器(lic)被认为是满足高能量密度和功率密度要求的有前途的下一代储能系统。然而,正负电极之间电荷存储能力和电极动力学的不匹配仍然是一个挑战。吉林大学shiding miao等人使用层状sns2/还原氧化石墨烯(rgo)纳米复合材料作为负极,而二维b/n共掺杂碳(bcn)纳米片作为正极。

 

高电导率的sns2键合rgo的sns2/rgo在100 ma/g下的容量为1198 mah/g。发现bcn中的硼和氮原子可促进阴离子的吸附,从而增强赝电容作用并扩大锂离子电容器的电压。动力学分析表明,sns2/rgo电极由电容机制主导并有小部分的嵌入过程,这有利于电极的动力学平衡,充分发挥二者优势。通过这种特殊的结构,锂离子电容器能够以迄今为止最高工作电压(4.5 v)进行稳定工作,其能量密度为149.5 wh/kg,功率密度为35 kw/kg,并且10000次循环后,容量保持率为90%。

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yizhan hao, shouzhi wang, yongliang shao,yongzhong wu,* and shiding miao*. high‐energy density li‐ion capacitor with layeredsns2/reduced graphene oxide anode and bcn nanosheet cathode. advanced energymaterials. 2019

doi:10.1002/aenm.201902836

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902836

 

64. ensm:基于沥青基双掺杂碳纳米片用于高能非对称超级电容器

具有多层多孔结构和化学功能化表面的掺杂准二维碳材料对高能超级电容器极具吸引力,但要想以一种低成本、环保的方式合成它们却面临着巨大的挑战。在此,中国科学院山西煤炭化学研究所李开喜团队首先从廉价的焦化副产物煤焦油沥青中合成n/s双掺杂堆叠式碳纳米片(d-scn),先由2,3-二甲基-2,3-二苯基丁烷引发受控的分子自由基聚合,然后在苯甲酸钾和n,n'-二苯基硫脲的存在下进行一步碳化活化过程。

 

所获得的经过合理致密化的d-scn具有设计良好的层堆叠拓扑结构,分层互连的多孔结构和n/s双掺杂表面,它们共同发挥了较高的超级电容性能。d-scn的最大比电容为458 f g−1,比之前报道的其他碳材料的最大比电容要高得多。当组装好的非对称全固态超级电容器的电压范围为0~1.8 v时,其体积能量密度为27 wh l−1,功率密度为296 w l−1,在20000次循环后容量衰减率仅为5.9%。这项工作提出的制备沥青基纳米碳化物的路线,为探索适合狭窄空间的大规模电极材料制备开辟了新的视野。

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guoli zhang, taotao guan, jinli qiao, jianlongwang, kaixi li. free-radical-initiated strategy aiming for pitch-baseddual-doped carbon nanosheets engaged into high-energy asymmetricsupercapacitors. energy storage materials, 2019.

doi: 10.1016/j.ensm.2019.12.038

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s240582971931116x

 

65. ensm:用于高性能超级电容器的纳米混合tin/垂直石墨烯

随着可再生能源、电动汽车和便携式电子产品的日益普及,电池和超级电容器等储能设备近年来备受关注。与电池相比,超级电容器具有更高的功率密度,更快的充电速率和更长的循环寿命,这是由于其通过双电层电容(edlc)进行的独特物理电荷存储过程或快速且可逆的表面氧化还原反应(即伪电容器)产生的。过渡金属氮化物由于其高电化学容量和良好的化学稳定性而成为用于超级电容器电极的有前途的材料。然而,在合成这些材料的通用途径中,控制结晶度,电导率和电化学活性位点仍然具有挑战性。

 

澳大利亚联邦科学与工业研究组织的avi bendavidzhaojun han合作,使用一步法和可扩展的转移电弧方法制备tin纳米粒子,该纳米粒子具有定义明确的立方晶体结构,纳米尺寸分布为5–20 nm。然后将tin纳米颗粒沉积到等离子体产生的垂直石墨烯(vg)支撑材料上,以形成用于超级电容器的混合tin/vg电极。在电压窗口为1.0 v的li2so4电解液中,tin/vg混合材料的面电容比商用tin沉积vg混合材料的面电容高四倍以上。随着电压窗口扩大到1.8 v,tin/vg电极可以在100 mv s−1的扫描速率下实现9.0 mf cm−2的面电容,同时在10,000次循环后仍保持初始电容的89.5%。tin纳米颗粒报道的最高值。这些结果表明,通过转移电弧技术生产的tin纳米粒子在储能应用中非常有前途。

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hualeiqi, samuel yick, oskar francis, adrian murdock, timothy van der laan, kostyaostrikov, zheng bo, zhaojun han, avi bendavid. nanohybrid tin/vertical graphenefor high-performance supercapacitor applications. energy storage materials, 2019.

doi:10.1016/j.ensm.2019.12.040

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829719311183

 

66. ensm:芯片上具有超高区域能量密度的3d叉指微型超级电容器

微型化电子产品,如可穿戴设备、无线微传感器、微/纳米机器人、植入式医疗设备和微机电系统等的巨大进步,对小型、柔性、轻便和高性能的储能设备提出了迫切的要求。具有三维(3d)纳米结构的高性能微型超级电容器(mscs)具有改善储能性能的巨大潜力,被认为是智能微电子的理想独立电源。在此,重庆大学的yu xin zhang开姆尼茨工业大学的feng zhu等人将cu0.56co2.44o4@mno2核-壳纳米管和碳纳米管通过一种快速,方便和可扩展的方式集成到一个3d混合非对称msc中。

 

由于3d电极和活性材料的分层结构,该混合msc在3.2 ma cm−2时的比表面积电容为665.3 mf cm−2,在8000次循环后的容量保持率为89.8%,具有良好的循环性能。msc还显示出182.3 μwh cm−2的超高能量密度,该能量密度几乎高于以前报告的所有能量密度值。此外,mscs与太阳能电池和led的集成实现了可持续能源的转移,存储和使用,显示出在小型化智能电子产品中的巨大潜力。该制造方法可以为构造用于小型电子设备中的各种可集成的高性能能量存储设备开辟新的策略。

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fei li, ming huang, jinhui wang, jiang qu,yang li, lixiang liu, vineeth kumar bandari, yu hong, bingkun sun, minshen zhu,feng zhu, yu xin zhang, oliver g. schmidt. on-chip 3d interdigitalmicro-supercapacitors with ultrahigh areal energy density. energy storagematerials, 2020.

doi: 10.1016/j.ensm.2020.01.008.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s2405829720300143

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