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沐春風，品儲能系列頂刊好文丨開年最新頂刊大合集~

來源：科學10分鐘時間：2020-12-02 14:44:08 瀏覽：4106次

（一）Shizhang Qiao頂刊EES綜述：原子尺度改性的過渡金屬硫族化合物用于堿金屬電池

（一）Shizhang Qiao頂刊EES綜述：原子尺度改性的過渡金屬硫族化合物用于堿金屬電池

在過去的十年間，過渡金屬硫族化合物（TMDs）用于堿金屬離子電池得到大力發(fā)展，然而它們的電化學性能仍然不佳，主要來源于轉(zhuǎn)化反應(yīng)導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)堆積與破壞。近年來，人們逐漸發(fā)現(xiàn)設(shè)計不同形貌可成為一種解決辦法，這一系列結(jié)果也被廣泛研究與總結(jié)。與此同時，從原子尺度調(diào)控TMDs的電化學性能，包括表面缺陷、層間距擴大、相轉(zhuǎn)變、合金化與雜原子摻雜已經(jīng)被證實是一種有效手段。

然而，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計及其對堿金屬離子電池電化學儲能過程中機理的影響尚未被歸納和總結(jié)。2020年澳大利亞阿德萊德大學Shizhang Qiao教授與天津大學Naiqing Zhao教授共同在國際頂級期刊EES上撰文，從實驗設(shè)計和理論模擬的角度綜述了原子尺度調(diào)控TMDs基復(fù)合物用于堿金屬離子電池。同時，系統(tǒng)描述了改性手段與電化學性能之間的關(guān)系、并闡述了此方向的未來趨勢。

綜述關(guān)鍵圖文：

TMDs基化合物在堿金屬離子電池中的儲能反應(yīng)機理

圖1 TMDs基化合物在堿金屬離子電池中的儲能反應(yīng)機理

以MoS2為例，一個充放電周期后的相轉(zhuǎn)變與微觀結(jié)構(gòu)變化

圖2 以MoS₂為例，一個充放電周期后的相轉(zhuǎn)變與微觀結(jié)構(gòu)變化

不同TMDs和鋰離子接觸時的結(jié)合能變化曲線，以及鈉離子和MoS2作用中的相轉(zhuǎn)變

圖3 不同TMDs和鋰離子接觸時的結(jié)合能變化曲線，以及鈉離子和MoS₂作用中的相轉(zhuǎn)變

文獻信息：Transition Metal Dichalcogenides for Alkali Metal Ion Batteries: Engineering Strategies at Atomic Level. Biao Chen, Dongliang Chao, Enzuo Liu, and et al. Energy Environ. Sci., 2020, https://doi.org/10.1039/C9EE03549D.

（二）澳大利亞新南威爾士大學Dawei Wang 課題組2020年EES綜述：金屬-硫基電池中硫的共價固定作用

澳大利亞新南威爾士大學Dawei Wang 課題組2020年EES綜述：金屬-硫基電池中硫的共價固定作用

硫是世界上儲量豐富的元素，作為一種兩電子反應(yīng)體系，硫在金屬-硫電池中發(fā)揮重要作用。然而，該類電池的實際應(yīng)用受到諸如低電導(dǎo)率、硫中間產(chǎn)物流失等問題。通常，科研人員基于物理限制和化學吸附的表面固定法來穩(wěn)定硫以及促進硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

在金屬-硫電池中，共價結(jié)合硫材料是一種有效而且較為新穎的技術(shù)，已經(jīng)顯示出良好的應(yīng)用前景，此方法可以使得硫和載體之間的分子相互作用增強。2020年1月新南威爾士大學Dawei Wang教授在EES上撰文綜述，提出一種共價固定硫的概念，他們提出一種基于共價含硫化合物和復(fù)合物之間共價作用，這種電極可用于各種可充電金屬-硫電池。

在綜述中，他們首先討論了共價固硫的分類；其次該課題組總結(jié)了最先進的基于共價硫的材料及其制備方法。最后，對眾所周知的鋰硫電池進行重點闡述，其中包括共價硫活性材料的正極，電池的反應(yīng)機理和材料創(chuàng)新。討論了諸如Na-S和K-S堿金屬硫電池體系中共價固硫的研究進展。該課題組通過綜述展望了利用共價固定策略優(yōu)化硫氧化還原工藝的前景。作者展望時指出，本綜述將使共價固定硫受到越來越多的關(guān)注。

綜述關(guān)鍵圖文：

不同溫度下硫元素的相轉(zhuǎn)變過程

圖1 不同溫度下硫元素的相轉(zhuǎn)變過程

物理約束à化學吸附à共價固定的混硫策略演示及原理圖示

圖2 物理約束à化學吸附à共價固定的混硫策略演示及原理圖示

典型的鋰硫電池中硫狀態(tài)隨電壓和時間變化曲線

圖3 典型的鋰硫電池中硫狀態(tài)隨電壓和時間變化曲線

文獻信息：Covalent fixing of sulfur in metal-sulfur batteries. Ruopian Fang, Jiangtao Xu, Da-Wei Wang. Energy Environ. Sci., 2020, https://doi.org/10.1039/C9EE03408K.

（三）中南大學EES綜述：有機電極在鈉離子電池中的應(yīng)用

中南大學EES綜述：有機電極在鈉離子電池中的應(yīng)用

有機電極材料給高能量-高功率，低成本且環(huán)境友好的鈉離子電池注入新鮮活力。經(jīng)過多年的發(fā)展，有機電極材料用于鈉離子電池尚未被系統(tǒng)開發(fā)和實際應(yīng)用。這主要由于過多研究經(jīng)驗都放在了無機系列的電極材料的開發(fā)，因為這些無機材料在鋰離子電池中應(yīng)用的可行性已經(jīng)得到了充分驗證。

隨著近年來對有機電極在鈉離子電池中的實踐和文章數(shù)量激增，中南大學Haiyan Wang教授和Xiaobo Ji教授在EES上撰文，首次針對不同種類的有機材料的儲納機理進行綜述。作者相信從深入了解氧化還原電對反應(yīng)的機理開始，對開發(fā)新型鈉離子電池用有機電極材料具有重要指導(dǎo)意義，也對現(xiàn)有化合物的性能增強是有益的。

綜述關(guān)鍵圖文：

從1985年到2019年間的鈉離子電池有機電極發(fā)展歷史

圖1 從1985年到2019年間的鈉離子電池有機電極發(fā)展歷史

幾種增強鈉離子電池有機電極性能的方法

圖2 幾種增強鈉離子電池有機電極性能的方法

幾種有機化合物電極材料的比容量和儲納電壓對比

圖3 幾種有機化合物電極材料的比容量和儲納電壓對比

文獻信息：Understanding the Sodium Storage Mechanisms of Organic Electrodes in Sodium Ion Batteries: Issues and Solutions. Ranjusha Rajagopalan, Yougen Tang, and et al. Energy Environ. Sci., 2020, https://doi.org/10.1039/C9EE03637G.

（四）華盛頓大學曹國忠/北京科技大學田建軍Advanced Materials綜述：可充電電池和鈣鈦礦太陽能電池中活性材料的表界面調(diào)控

華盛頓大學曹國忠/北京科技大學田建軍Advanced Materials綜述：可充電電池和鈣鈦礦太陽能電池中活性材料的表界面調(diào)控

材料的表界面研究一直是能源轉(zhuǎn)化與儲存領(lǐng)域的熱點。當今世界對清潔可持續(xù)能源的需求不斷增長，推動了世界范圍內(nèi)對能源轉(zhuǎn)換和儲能裝置的新型活性材料的設(shè)計和開發(fā)的巨大投資。因此設(shè)計不同材料之間的表界面是實現(xiàn)高能量密度電池和高效太陽能電池的最可靠和最佳研究途徑之一。

對于可充電電池研究來說，其主要通過電極和電解質(zhì)之間的界面上的氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)電能和化學能的可逆轉(zhuǎn)換；而金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSC）是最有前途的光伏材料之一，其功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）在不到10年內(nèi)飆升至超過25%，這種進展主要是通過控制結(jié)晶度和表面/界面缺陷實現(xiàn)的。因此表界面在上述兩種器件中的存在重要性是顯而易見的。

基于此，北京科技大學田建軍教授聯(lián)合華盛頓大學曹國忠教授課題組對這些器件中活性材料的界面和界面間的形成和功能進行了重點討論和關(guān)鍵分析，并描述了用于克服當前挑戰(zhàn)的前瞻性策略。這些策略主要圍繞著控制RBs和PSCs的各種界面的化學成分、缺陷、穩(wěn)定性和鈍化。

綜述關(guān)鍵圖文：

液態(tài)和固態(tài)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)模型，電池中能量密度和能量效率示意圖

圖1 液態(tài)和固態(tài)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)模型，電池中能量密度和能量效率示意圖

固體和液體的界面接觸模型，電解液和電池中能級示意圖

圖2 固體和液體的界面接觸模型，電解液和電池中能級示意圖

文獻信息：Interphases,Interfaces, and Surfaces of Active Materials in Rechargeable Batteries andPerovskite Solar Cells. ChaofengLiu, Jifeng Yuan, Robert Masse, and et al. Advanced Materials. 2020, DOI: 10.1002/adma.201905245, https://doi.org/10.1002/adma.201905245.

（五）Oliver G. Schmidt 等人Energy Storage Materials: 芯片上具有超高區(qū)域能量密度的3D叉指微型超級電容器

Oliver G. Schmidt 等人Energy Storage Materials: 芯片上具有超高區(qū)域能量密度的3D叉指微型超級電容器

微型化電子產(chǎn)品，如可穿戴設(shè)備、無線微傳感器、微/納米機器人、植入式醫(yī)療設(shè)備和微機電系統(tǒng)等的巨大進步，對小型、柔性、輕便和高性能的儲能設(shè)備提出了迫切的要求。具有三維（3D）納米結(jié)構(gòu)的高性能微型超級電容器（MSCs）具有改善儲能性能的巨大潛力，被認為是智能微電子的理想獨立電源。

基于此，Oliver G. Schmidt教授課題組將Cu_0.56Co_2.44O₄@MnO₂核-殼納米管和碳納米管通過一種快速，方便和可擴展的方式集成到一個3D混合非對稱MSC中。由于3D電極和活性材料的分層結(jié)構(gòu)，該混合MSC在3.2 mA cm^?2時的比表面積電容為665.3 mF cm^?2，在8000次循環(huán)后的容量保持率為89.8%，具有良好的循環(huán)性能。

同時，MSC還顯示出182.3 μWh cm^?2的超高能量密度，該能量密度幾乎高于以前報告的所有能量密度值。此外，MSCs與太陽能電池和LED的集成實現(xiàn)了可持續(xù)能源的轉(zhuǎn)移，存儲和使用，顯示出在小型化智能電子產(chǎn)品中的巨大潛力。該制造方法可以為構(gòu)造用于小型電子設(shè)備中的各種可集成的高性能能量存儲設(shè)備開辟新的策略。

文獻信息：On-Chip 3D Interdigital Micro-Supercapacitors with Ultrahigh Areal Energy Density. Fei Li, Ming Huang, Jinhui Wang, and et al. Energy Storage Materials, 2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.01.008.

（六）華北電力大學李美成教授2020年Nano Energy：多功能芳綸納米纖維助力全固態(tài)鋰電聚合物電解質(zhì)

華北電力大學李美成教授2020年Nano Energy：多功能芳綸納米纖維助力全固態(tài)鋰電聚合物電解質(zhì)

作為固體聚合物電解質(zhì)在鋰離子電池中應(yīng)用的瓶頸，離子電導(dǎo)率和機械穩(wěn)定性兩個是需要考慮的因素?；诖?，華北電力大學的李美成教授課題組采用芳香族聚酰胺納米纖維（ANFs）作為多功能納米添加劑，利用 ANFs之間的氫鍵相互作用實現(xiàn)了具有3D ANF網(wǎng)絡(luò)框架的聚環(huán)氧乙烷（PEO）-LiTFSI電解質(zhì)的制備與應(yīng)用。ANF與PEO鏈和TFSI的陰離子之間的氫鍵相互作用既可以防止ANF的團聚、抑制PEO結(jié)晶，也可以促進LiTFSI的離解并延長3D ANF骨架/PEO-LiTFSI界面上的離子傳輸路徑。

因此，經(jīng)過ANF改性的電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率為8.8×10^?5 S cm^?1。歸因于3D ANF框架，含ANF的復(fù)合電解質(zhì)還表現(xiàn)出極大的機械強度，熱穩(wěn)定性，電化學穩(wěn)定性和抑制鋰枝晶的能力?；贚iFePO₄和Li作為電極、配以ANF基復(fù)合電解質(zhì)組裝的電池可表現(xiàn)出更好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在0.4 C下100次循環(huán)后的容量為135 mAh g^?1。該研究提供了一種新穎有效的策略，可以通過在復(fù)合電解質(zhì)設(shè)計中采用有機納米填料來全面升級的聚合物電解質(zhì)，并揭示離子輸運機制，從而有望實現(xiàn)全固態(tài)鋰離子電池應(yīng)用。

文獻信息：. Comprehensively-upgraded polymer electrolytes bymultifunctional aramid nanofibers for stable all-solid-state Li-ion batteries. LehaoLiu, Jing Lyu, Jinshan Mo, and et al. Nano Energy, 2020. DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104398.

（七）江蘇師范大學Chao Lai教授 2020年ACS Nano：MXene界面層助力高載量鋰碘電池穩(wěn)定性

江蘇師范大學Chao Lai教授 2020年ACS Nano：MXene界面層助力高載量鋰碘電池穩(wěn)定性

隨著人們生活的進步，也對儲能系統(tǒng)提出了越來越嚴格的要求。目前，包含碘正極和鋰金屬負極的可充電鋰碘（Li-I₂）電池有望滿足這些需求。這些系統(tǒng)具有較高的工作電壓（平均工作電壓為2.9 V），較高的理論容量（211 mAh g^-1）和良好的倍率性能。此外，碘的含量極為豐富使鋰離子電池比同等電池在經(jīng)濟上更優(yōu)惠。因而使得鋰碘（Li-I₂）電池成為下一代電化學能量存儲系統(tǒng)的有希望的候選者。

然而，碘和碘化物的溶解阻礙了它們的實際應(yīng)用進程。近日，南開大學Jiajie Liang，湖南師范大學Jie Qu和江蘇師范大學Chao Lai等人提出了具有三維分層多孔結(jié)構(gòu)的Ti₃C₂Cl_x-MXene泡沫作為Li-I₂電池中的正極-電解質(zhì)界面層，在高碘含量和高載量下實現(xiàn)了高倍率和極穩(wěn)定的循環(huán)性能。

理論計算和實驗表征表明，具有高金屬電導(dǎo)率的Ti₃C₂Cl_x-MXene片不僅與I₂形成極強的化學鍵合以抑制穿梭效應(yīng)，而且還促進了循環(huán)過程中的氧化還原反應(yīng)。結(jié)果表明，即使使用5.2 mg cm^-2的超高載量，使用含70％重量百分比I₂的正極的Li-I₂電池也可以在2 C的倍率下循環(huán)1000次不衰減。使用Ti₃C₂Cl_x-MXene界面層可以實現(xiàn)高能Li-I₂電池的構(gòu)筑和應(yīng)用。

文獻信息：Ti₃C₂T_x MXene Interface Layer Driving Ultra-Stable Lithium-Iodine Batteries with Both High Iodine Content and Mass Loading. Chuang Sun, Xinlei Shi, and et al. ACS Nano, 2020, 14, 1, 1176-1184. DOI:10.1021/acsnano.9b09541.

（八）北京航空航天大學楊樹斌教授ACS Nano：錨定單原子Zn的MXene（Ti₃C₂Cl_x）負極用于緩解鋰枝晶

北京航空航天大學楊樹斌教授ACS Nano：錨定單原子Zn的MXene（Ti3C2Clx）負極用于緩解鋰枝晶

隨著電子汽車以及便攜式電子設(shè)備的飛速發(fā)展，基于石墨負極的商用鋰離子電池（LIB）由于能量密度低而無法滿足其要求。鋰金屬因具有高比容量（3860 mAh g^-1）和低電勢（3.04 V vs SHE）成為最有前景的鋰離子電池負極材料之一。

然而由于鋰離子的不均勻分散，鋰負極往往會產(chǎn)生無法控制的枝晶，對鋰離子電池的安全操作帶來嚴重的危害。此外，鋰體積的無限變化和高化學還原性進一步使固體電解質(zhì)界面（SEI）膜易碎，消耗鋰和電解質(zhì)。這些問題通常會有損循環(huán)穩(wěn)定性、降低庫侖效率和能量密度，從而妨礙了其實際應(yīng)用。

2002年北京航空航天大學楊樹斌教授課題組使用了一種將單個鋅原子固定在MXene（Ti₃C₂Cl_x）層（Zn-MXene）上的方法來有效地誘導(dǎo)Li成核和生長。在最初的沉積階段，由于存在大量的鋅原子，鋰傾向于在Zn-MXene層的表面上均勻地成核，然后由于邊緣處存在一種被稱作“避雷針”的效應(yīng)，即沿著成核的位置垂直生長，從而形成沒有鋰枝晶的碗狀鋰。因此，通過使用Zn-MXene膜作為鋰負極，可獲得11.3±0.1 mV的低過電勢，長的循環(huán)壽命（> 1200 h）以及高達40 mAh cm^-2的深度剝離-沉積水平。

文獻信息：Single Zinc Atoms Immobilized on MXene (Ti₃C₂Cl_x) Layers toward Dendrite-Free Lithium Metal Anodes. Jianan Gu, Qi Zhu, Yongzheng Shi, and et al. ACS Nano 2020, 14, 1, 891-898.

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