金属离子电池前沿研究成果精选【第4期】

电极材料在电池中是重要的组成部分，提升材料的容量、循环寿命对全电池的性能的提升十分关键。本篇汇总将带大家阅览近期各类二次电池材料的最新研究进展。

1.Adv.Energy.Mater.:自支撑柔性低成本超疏水型N-CNTs@SS锂空气电池正极

柔性可穿戴器件的发展使得拥有高能量密度的柔性锂空气电池应运而生，然而其高成本、合成方法复杂、机械性能差等阻碍了其进一步的发展。近日，来自北京航空航天大学的张瑜教授（通讯作者）团队受毛细血管的外形启发，报道了一种不锈钢网上生长的氮掺杂CNT(N-CNTs@SS)正极材料，该材料具有低成本、无粘合剂、自支撑柔性、超疏水和分层结构等性质，并且具有高电导性、优异的力学性能和良好的稳定性。将该材料制备成电缆状应用于锂空气电池正极，展现出良好的机械性能、稳定的电化学特性（500mA g^-1电流密度下容量高达9299mAh g^-1，232次循环）以及卓越的抗水能力。该材料在柔性可穿戴电子设备中有广阔应用前景。

文献链接：Blood-Capillary-Inspired, Free-Standing, Flexible, and Low-Cost Super-Hydrophobic N-CNTs@SS Cathodes for High-Capacity, High-Rate, and Stable Li-Air Batteries(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201702242)

2.Adv.Energy.Mater.: O₃型层状氧化物电极中用化学方法提升电池电压以及抑制相变

O3型层状过渡金属氧化物(NaMO₂)由于具有高容量，在钠离子电池正极材料中研究甚多。然而由于其低氧化还原电压和多相转变，O3相的使用十分受限。近日来自法兰西公学院的Jean-Marie Tarascon教授（通讯作者）团队报道了一种通过大离子和(d¹⁰)非过渡金属离子化学取代Mn⁴⁺，以此增加循环过程中氧化还原电压和减缓O3-P3之间的相变。NaNi_0.5Sn_0.5O₂相的完全取代展现出的氧化还原电势为3.2V v.s. Na/Na⁺，作为对照单独的NaNi_0.5Mn­_0.5O₂只有2.8V。并且Sn基相能减缓O3-P3的相变，该相变直至0.5Na从结构中移除才会发生，而Mn基材料则需要0.2Na就可以发生相变。NaNi_0.5Mn_0.1Sn_0.4O₂容量高达91mAh g^-1，能量密度为280Wh g^-1，200次循环后容量保持率为85%。

文献链接：A Chemical Approach to Raise Cell Voltage and Suppress Phase Transition in O3 Sodium Layered Oxide Electrodes(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201702599)

3.Adv.Funct.Mater.: 酒石酸锑钾在调节Sb/C复合物长寿命钠离子电池的双重作用

锑由于其高比容量在钠离子电池负极中有广阔应用前景，然而在循环过程中的体积膨胀极大地影响了其循环稳定性。来自中南大学的纪效波教授（通讯作者）团队利用金属配合物C₈H₁₀O₁₅Sb₂K₂作为碳源和锑源，通过水热还原法在氩气中还原了Sb/C棒和Sb-O-C/C。经过理论计算实验结果分析，材料的形成过程为：C₈H₁₀O₁₅Sb_2K2 → Sb₂O₃/C → Sb₂O₃/Sb/C → Sb/C，而且随着Sb³⁺还原成金属Sb，C₈H₁₀O₁₅Sb₂K₂中的有机配位基可以逐渐转变成无定形碳。500mA g^-1电流密度下700次循环仍有89%的容量保持率（404mAh g^-1）。

文献链接：Dual Functions of Potassium Antimony(III)-Tartrate in Tuning Antimony/Carbon Composites for Long-Life Na-Ion Batteries(Adv.Funct.Mater.: 10.1002/adfm.201705744)

4.Adv.Funct.Mater.:真空煅烧将Se/C线状材料转换成管状材料用于高性能钠硒电池

真空煅烧方法常用于制备Se/C复合物，因为该法不需要充分混合和长时间加热。近日来自香港城市大学的Denis Y. W. Yu博士和Andrey L. Rogach教授（共同通讯作者）团队报道了一种通过简单方法湿化学合成Se/C线复合物用于高性能钠硒电池。随着Se进入碳骨架，只需进行机械混合而无需长时间加热。当材料在真空中加热到500℃还原富氧碳层时，碳壳中的Se融化渗入或者流入线内，将Se/C线(SeCW)转换成Se/C管(SeCT)。SeCT可用于钠硒电池正极，在0.2C电流密度下可逆容量高达601mAh g^-1。电流密度从2C增加至20C时，容量从509mAh g^-1变成304mAh g^-1。而且20C循环1000次后容量只是减少7%。

文献链接：Vacuum Calcination Induced Conversion of Selenium/Carbon Wires to Tubes for High-Performance Sodium–Selenium Batteries(Adv.Funct.Mater.: 10.1002/adfm.201706609)

5.Adv.Energy.Mater.:导电聚合物粘结剂增强离子导电性用于高性能锂离子电池硅负极

硅作为锂离子电池负极有超高理论比容量，但是在循环过程中过大的体积膨胀严重影响了其循环性能，于是通常会在负极材料中添加导电聚合物，即作为粘结剂又作为导电添加剂，以此改善其电化学性能。近日，来自华中科技大学的周印华教授、霍开富教授和香港城市大学的Paul K. Chu教授（共同通讯作者）团队报道了一种拥有高离子导电率和电子导电率的新型聚合物粘结剂，该导电剂通过化学交联、化学还原和静电自组装法将离子导电的聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯亚胺(PEI)组装在电子导电的PEDOT:PSS分子链上。聚合物粘结剂拥有卓越的锂离子和电子传输性质，其离子和电子导电性比常用的CMC/乙炔黑体系高14和90倍。PEDOT:PSS和离子聚合物之间的交联和静电作用保持了硅负极在循环过程中的体积结构的稳定性，增强了倍率性能、循环稳定性、可逆容量和首次库伦效率。

文献链接：Enhanced Ion Conductivity in Conducting Polymer Binder for High-Performance Silicon Anodes in Advanced Lithium-Ion Batteries (Adv.Energy.Mater.:10.1002/aenm.201702314)

6.Adv.Energy.Mater.:抑制锂枝晶和固定锰离子的生物基水凝胶聚合物电解质

金属锂电池负极中的锂枝晶问题、锰离子在LiMn₂O₄正极中的溶解和迁移问题阻碍了金属锂电池的发展。近日，来自北京化工大学的隋刚教授和杨小平教授（共同通讯作者）团队报道了一种方法，用一层PDSs夹在两层多孔SPI/PVA纳米纤维薄膜之间而无需粘结剂，构建了双功能生物基复合物水凝胶聚合物电解质(c-GPE)。在用液体电解质成胶之后，微球固定在c-GPE结构当中。其离子导电率高达2.2x10^-3S cm^-1，200次循环后容量保持率仍有71.3%。在LMO/Li电池当中能解决锂枝晶的生长和锰离子的溶解和迁移，在1mA cm^-2电流密度下循环超过500h。

文献链接：A Biobased Composite Gel Polymer Electrolyte with Functions of Lithium Dendrites Suppressing and Manganese Ions Trapping(Adv.Energy.Mater.:10.1002/aenm.201702561)

7.Adv.Energy.Mater.:低成本钠硫液流电池

锂离子电池、液流电池和高温钠硫电池是电网电池技术最有前景的三种电池。近日，来自弗吉尼亚理工大学的Zheng Li教授（通讯作者）团队报道了一种新型半固态钠硫液流电池，在1M硫标称浓度下放电曲线有2.2V和1.8V两个峰，分别对应了S元素的消耗和Na₂S₂沉淀的产生。在低放电电流下比容量为864mAh g^-1，比现有的钠硫电池更高。新型的钠硫液流电池通过在不同温度下的储存室（常温）和能源装置（100-150℃）操作，结合了能量和功率的热管理。有以下几个有点：电极制备和器件整合简单，能量损耗小，金属负极的体积变化小，并能有效利用硫。该电池成本为$50-100kWh^-1，适用于电网储能。

文献链接：Sodium–Sulfur Flow Battery for Low-Cost Electrical Storage(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201701991)

8.新型疏水粘结剂固定多硫化物用于高性能锂硫电池

传统的锂硫电池中的粘结剂有许多弊端，例如吸收亲水性多硫化物的能力差，从而导致容量衰减。近日，来自苏州大学的晏成林教授和电子科技大学的熊杰教授（共同通讯作者）团队报道了一种新型富含Li-N、Li-O、S-O键的PPA粘结剂，与传统PVDF粘结剂相比提高了循环容量保持率和倍率特性，1.5C电流密度下循环400次仍有72%的容量保持率。而且，原位显微拉曼光谱结果表明该极化功能粘结剂能有效抑制还原的多硫化物从正极穿梭至负极。XPS结果表明亲水粘结剂使得硫与Li-O、Li-N、S-O之间的反应更充分，有效减缓了多硫化物的溶解。

文献链接：A New Hydrophilic Binder Enabling Strongly Anchoring Polysulfides for High-Performance Sulfur Electrodes in Lithium-Sulfur Battery(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201702889)

9.Adv.Energy.Mater.:垂直排列金属型MoS₂生长在离子传输纳米管用于高性能锂离子电池

与2H半导体相MoS₂相比，金属相MoS₂拥有高几个数量级的导电性。近日，来自美国东北大学的Hongli Zhu教授（通讯作者）团队通过简单大规模的水热法构造了一种新型多孔纳米管，其表面生长垂直排列的金属型MoS₂纳米片，用于锂离子电池负极，拥有良好环境友好性，低成本的优势。使用该方法制备的MoS­₂纳米片能有效避免团聚，因此促进电解质的传输、缩短锂离子扩散路径以及优化原位插层聚合反应。5A g^-1电流密度下循环350次仍有1100mAh g^-1的可逆容量，20A g^-1电流密度下容量仍有589mAh g^-1。

文献链接：Ion Transport Nanotube Assembled with Vertically Aligned Metallic MoS2 for High Rate Lithium-Ion Batteries(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201702779)

本文由材料人新能源组Jespen供稿，材料牛整理编辑。

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