金属离子电池前沿研究成果精选【第6期】

1、Nat. Commun.：不破坏锂离子电池结构的储能机制和组装缺陷的检测新方法

近日，美国纽约大学的Alexej Jerschow（通讯作者）等人，找到了一种不破坏电池结构，确定电池是否存在组装问题，及储能时锂离子的嵌入水平的定量测试方法。回答了什么时候二次电池的容量会减少，原因是什么。一直以来这个问题都很难回答，可是这个问题是商业电池、电子器件和电储能设备的核心。解决这个问题的困难是不分解和破坏电池，获得的信息量太少。作者证明了电池中磁场微小改变的测量，可以用来评估掺入电极材料中的锂的含量，诊断由某些错误组装产生的电池缺陷。

文章链接：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电池中，二维磷化氢衍生物负极材料

Li-O₂电池是理想的电子器件，因为其具有高的能量密度。Li枝晶的生长和电解液的分解是电池实际应用急需解决的问题。近日，首尔大学的Kyu Tae Lee和东国大学的Young-Kyu Han（共同通讯作者）等人，考虑到这个现象，制备了一种具有电化学活性的二维磷化氢衍生的磷化锂。它可以作为锂金属的保护层，这层纳米尺寸的保护层能够抑制电解液的分解和锂枝晶的生长。原因是保护层的电化学活性具有热稳定的特点。电解液的分解被抑制，原因是磷化锂的氧化还原电位高于电解液的分解电位。磷化锂上的锂的热力学性能不利的，这能够抑制循环过程中，锂枝晶的生长。因此，纳米磷化锂保护层，能够提高不同电解液（含有双（三氟甲磺酰基）亚胺锂的N，N-二甲基乙酰胺溶液）中，锂对称电池和Li-O₂电池的循环性能。非原位分析和理论计算为这种现象提供了数据支持。

文章链接：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：高面积能量密度的3D微锂离子电池

三维（3D）微电池为制备在尺寸上可移动的电站提供了可能。这与执行器、传感器和其他网络连接器件不同。为了克服微结构组装的问题，近日，加利福尼亚大学的Bruce Dunn（通讯作者）等人，借鉴半导体加工的方法，找到了一种全新的组装路线。硅化锂作为负极材料的使用能够保持合理的体积变化。因此硅纳米簇的改变主要体现在充放电过程中。SU-8光阻材料的光学图像，通过控制高比表面积硅纳米簇周围的固态电解质涂层获得。二次3D微电池是3 mm×3 mm，在0.66 mA cm^-2的电流密度下，循环100圈后，具有面积容量接近2 mAh·cm^-2。结合半导体的加工过程和光致变色电解质的3D微电池具有很高的应用价值。

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

4、Nat. Commun.：在钾离子电池中，高氮掺杂的碳纳米纤维具有超高的倍率性能和循环性能

钾离子电池具有替代锂离子电池的潜力。但是，当前的电极材料的钾离子动力学缓慢，导致获得快速充放电和长循环寿命的电池非常困难。近日，德国的伊尔姆瑙理工大学的Yong Lei和中国上海大学的吴明红（共同通讯作者）等人，报道了一种软碳电极材料。这种材料具有高的氮含量的纳米纤维，具有超高的倍率性能和循环性能。在25 mA g^-1时，其比容量高达248 mAh·g^-1，在20 A g^-1时，其比容量高达101 mAh·g^-1，在2 A g^-1循环4000圈后，其比容量保持在146 mAh·g^-1。表面的钾贡献是通过动力学分析和理论计算证明。这种材料和普鲁士蓝组装成全电池后，在0.2 A g^-1时，比容量为195 mAh·g^-1。本文的工作对寻找高性能的钾存储材料具有一定的参考价值。

文章链接：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.：纳米吸管的强毛细、化学吸附和电催化作用对柔性锂硫电池的影响

高能量密度和长循环寿命的柔性锂硫（Li-S）电池的发展，可以用在柔性的、轻便的和可穿戴器件上。但是，柔性Li-S电池的发展面临柔性差、含硫正极的电池容量衰减快。近日，中国南京大学的金钟（通讯作者）等人，找到了一种独立的、柔性的硫主体，可以同时满足柔性、稳定性和电池中容量保持的要求。这种硫材料是碳纳米棒增强的CoS纳米吸管（CNTs/CoS-NSs）。CNTs/CoS-NSs具有较大的内部空间和较高的导电性，能够提高硫的负载量和效率。CNTs/CoS-NSs对硫的毛细效应和化学吸附作用，通过降低硫的穿梭效应，提高多聚硫的氧化还原动力学性能证明。Li-S电池中，负载硫的CNTs/CoS-NSs（S@CNTs/CoS-NSs）正极材料具有超高的储能性能，包括：高的放电比容量和倍率性能（在0.5 C时，比容量为1045 mAh·g^-1；在5.0 C时，比容量为573 mAh·g^-1）和循环性能。软包Li-S电池，采用S@CNTs/CoS-NSs正极材料时，弯曲时表现出良好的柔韧性和稳定性。

文章链接：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：液态负极材料的二次钠-空气电池，具有低电压间隙和高安全性

钠-空气电池在储能器件的发展受到了抑制，目前仍然远远满足不了电子器件的应用需求。近日，中国昆明理工大学的Yao Kang和加拿大西安大略大学的Xue-liang Sun（共同通讯作者）等人，发现了一种NASICON结构的固态电解质和液体负极材料组装的钠-空气电池。这个电池具有低的电压间隙、可循环性能和高稳定性能。液态负极材料是将钠溶解到联苯和醚的混合溶液中获得。因此，液态负极材料具有优异的导电性和电池性能。在0.1 mA·cm^-2的电流密度下，电池的电压间隙是0.14 V，放电电压高达2.88 V，这导致高大95.3 %往返效率。另外，由于在液态电极和固态电解液之间，液态负极的高离子导电性和低的界面阻力，因此电池具有目前已报到碱土金属电池最高39 mW·cm^-2的功率密度。电池同时具有很好的循环性能、能量效率没有明显的降低。液态负极材料和水之间没有强反应，这有助于提高电池的安全性。液态负极的高导电性可以应用到其他钠电池中。因此，本文发现了一种新型的、安全性高的液态负极材料，这是下一代储能技术的有效材料。

文章链接：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：构建新型“气泡纳米棒”混合纤维结构实现焦磷酸盐基柔性电极的高效储钠/锂能力

电活性材料在多功能结构材料中，可以触发能源器件的革新。近日，哈尔滨师范大学邓超和哈尔滨工程大学张森（共同通讯作者）等人，首次设计并构建了一种基于焦磷酸盐的“气泡纳米棒”分级混合纤维，应用到锂电和钠电中。中空的球中含有焦磷酸纳米级晶体和碳基材料均匀的分布在多孔碳基纤维上。“气泡纳米棒”分级混合纤维不仅可以提高骨架的连续性提高电子传输和防止晶体结构破坏，因此有助于离子传输和结构的稳定性。两种焦磷酸盐（Na_3.12Fe_2.44(P₂O₇)₂和Li₂FeP₂O₇）在本文中用来制备“气泡纳米棒”分级混合纤维，它比报道的文献具有更好的倍率性能和长的循环性能。在20和3 C下，循环600圈后，采用两种焦磷酸盐（Na_3.12Fe_2.44(P₂O₇)₂和Li₂FeP₂O₇）制备的材料比容量能够分别保持在94.4 %和95.1 %。因此，本文不仅介绍了实现优异的离子插层化学的高效复合结构，而且为制造高性能柔性电极提供了帮助。

文章链接：“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.：离子液体和有机离子塑料晶体：具有安全、高性能改进的电解质在储钠能的应用

电解液含有目标离子盐配对的离子液体溶剂，已经在锂电池中广泛研究，在钠化学中，作为改进电解质而受到关注。近日，澳大利亚的迪肯大学的Andrew Basile和莫纳什大学的Maria Forsyth（共同通讯作者）等人，研究了离子液体电解质、其固态类似物和有机离子塑料晶体的独特性质。分析了结构和性能的关系、盐含量的影响、正负离子的功能性、电化学性能和热稳定性。含有有机溶剂的离子液体电解液的使用和水添加剂的作用。本文介绍的大部分文献都涵盖Na⁺浓度大于50 mol ％的钠电解质研究，标记为超浓缩电解质，这些电解质对于器件性能有益和提高目标离子迁移率。在Na-O₂中，离子液体对氧还原反应的作用可以与常规Li离子相媲美。在放电过程中，了解对活性物质的成核和性质。另外，本文也讨论了典型钠阳极与离子液体电解质之间相互作用，对电极-电解质界面的影响。

文章链接：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.：含有双载体脱嵌的二次锌/钒酸钠水溶液电池

二次水系锌离子电池具有高的安全性和成本低的特点，因此是理想的储能器件。但是，满足高容量和高循环性能的电极材料较少，储能机制也不健全。近日，中国南开大学的牛志强（通讯作者）等人，报道了一种高循环的锌/钠钒酸盐体系。钒酸钠的纳米带作为正极材料和硫化锌水溶液中添加硫化钠作为电解液。这与仅采用锌离子嵌入/脱出的锌离子电池不同。因为锌/钒酸钠电池，同时具有质子和锌离子嵌入/脱出过程，因此提高了电池性能。例如其高可逆容量为380 mAh·g-1，在1000次循环中，容量保持率为82％。于此同时，准固态锌钒酸钠水合物电池也是柔性储能装置的理想选择。

文章链接：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)

10、ACS Nano：纳米多孔硅的制备新方法及其锂离子电池应用

在下一代的锂离子电池中，硅是最好的负极材料之一。绿色的、简易的和可控的Mg₂Si真空蒸馏是合成纳米硅的方法。采用真空蒸馏制备纳米硅的有益处是废料镁可回收再利用。纳米多孔硅的尺寸可以通过蒸馏温度和时间控制。近日，中国山东大学的冯金奎（通讯作者）等人，发现在800℃，0.5小时蒸馏后，可获得在200 mA g^-1的电流密度下，循环100圈后的放电比容量高达2034 mAh g^-1；在1000 mA g^-1的电流密度下，循环400圈后，比容量高达1180 mAh g^-1；在5000 mA g^-1的电流密度下，比容量高达855 mAh g^-1。其电化学性能的贡献与多孔结构有关。这种绿色的、可持续的和可控的方法，可能为高性能硅负极的商业化提供途径，也可以促进其他纳米多孔材料的发展。

文章链接：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)

11、Energ. Environ. Sci.：高质量能量密度的芯-双壳电极柔性锂离子电池  

柔性锂离子电池（FLIBs）的应用需要较高的能量密度。FLIBs的设计与电极材料和电池的自重相关。但是，柔性基体的容量较低，基体和活性电极的界面性能较差。近日，中国中山大学的童叶翔和广州大学的刘兆清（共同通讯作者）等人，设计提高了柔性基体（碳布，CC）的导电性和比表面积，进而提高容量。在碳布上长NiCo₂O₄纳米线，作为高能量密度的FLIBs的负极材料。理论计算和原位分析，用来观察柔性基体中锂离子的传输。这种全柔性锂离子电池具有高重量能量密度（314 Wh kg^-1），大的面积为39.0 cm²和281 mg的总重量。它具有优异的柔韧性和良好的储存性能，在未来柔性储能设备中很有潜力。

文章链接：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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