近三年上过顶刊封面的锂电池研究有哪些

Alisa 5年前 (2019-10-01) 6989浏览

伴随着经济全球化的进程和能源需求的不断高涨，寻找新的储能装置已经成为新能源相关领域的关注热点。锂离子电池（LIB）是目前综合性能最好的电池体系，具有高比能量、高循环寿命、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染等特点，并迅速发展成为新一代储能电源，用于信息技术、电动车和混合动力车、航空航天等领域的动力支持。锂电池是由正极、负极、电解液、隔膜四大关键元件组成。近几年对锂电池的研究也是很火热，2015年的锂空电池还刊登在了Science上。下面就和大家一起来看看最近三年都有哪些锂电池研究荣登顶刊封面，也希望为大家以后的研究方向提供一个思路。

一、正极材料

1. Accounts of Chemical Research（《化学研究述评》）封面：层状过渡金属氧化物中Ni/Li的反位现象的起源、控制方法及其对电化学的影响[1]

层状锂过度金属氧化物，特别是Li（NixMnyCoz）O2（NMC，x + y + z = 1），能量密度高、寿命长、成本低、安全性高，因此是最有希望成为正极材料的候选材料。为进一步提高锂存储容量，人们开始开发富镍的层状锂过渡金属氧化物。然而当镍含量增加到一定值后Ni/Li反位导致结构紊乱会对Li的扩散性、循环稳定性、第一循环效率和整体电极性能产生不利影响。北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授的课题组就如何控制Ni/Li反位来提高锂电池正极材料性能做了大量的机理研究。近期潘峰教授受邀为化学领域著名综述期刊《化学研究述评》就层状过渡金属氧化物中Ni/Li的反位现象的起源、控制方法及其对电化学的影响撰写了综述论文，并入选为当期封面文章。

二、负极材料

1. J. Am. Chem. Soc.封面：羧基化聚噻吩修饰的单壁碳纳米管与锂离子电池负极材料的侨联结构[2]

具有极性官能团的共轭聚合物能够有效地将单壁碳纳米管（SWNT）修饰到高容量负极材料的表面，并且能够形成电极网络。具体地，聚[3-（4-丁酸钾）噻吩]（PPBT）可以在SWNT网络和不同负极材料之间搭建桥梁，包括单分散的Fe3O4球和Si纳米颗粒。 PPBT的π-共轭骨架和羧酸酯（COO-）取代的烷基侧链分别吸引SWNTπ-电子表面并与活性材料表面羟基（-OH）物质发生化学相互作用以形成羧酸酯键。这种结构能够有效地捕获由于在充放电重复循环过程中发生的活性材料体积变化而形成的裂缝/粉碎的颗粒，从而可以抑制电极厚度的变化，形成稳定的SEI层，降低电极电阻，大大改善锂离子电池的电化学性能。

2. Angew. Chem. Int. Ed.封面：石墨烯中引入掺氮位点制备亲锂导电骨架[3]

锂金属是下一代可充电电池的关键负极材料之一，然而锂枝晶阻碍锂金属负极的实际应用。清华大学的张强教授采用氮掺杂的石墨烯作为Li电镀基体，以调节Li金属成核并抑制枝晶的生长。含N的官能团，例如N-掺杂石墨烯中的吡啶和吡咯氮，是亲锂性的，其引导金属Li成核，均匀地分布在负极表面上。研究证明，N掺杂的石墨烯用于Li金属负极中，在重复的充放电过程中无锂枝晶生长，并且在接近200个循环后表现出98％的高库仑效率。

3. Small封面：高性能钠/锂离子电池用核壳结构Co9S8/MoS2负极材料[4]

文章中，Qingyu Yan和Gu Hongwei等人通过简便的途径合成了尺寸均匀的Co9S8/MoS2核壳结构，平均直径约500nm。两相之间的协同作用提高了电子输送速度和Li+/Na+传输动力学。将Co9S8/MoS2复合材料做成电池负极材料，锂/钠离子电池具有高比容量和良好的倍率性能及循环稳定性。

4. Adv. Mater.封面：高性能锂离子电池用双功能化双碳壳包覆硅纳米颗粒[5]

为了解决硅作锂离子电池负极材料时在充放电过程中产生的巨大的体积变化和不稳定的SEI界面而引起的严重的电极粉碎，中国科学技术大学的Prof. Yan Yu等人提出一种“双壳”概念，制备了双碳壳包覆的硅纳米颗粒（DCS-Si），起到封装硅的体积变化和稳定SEI层的双重作用。内部的碳壳可以提供空隙从而允许内部的Si纳米颗粒的体积变化，而静态外壳可以促进形成稳定的SEI层。最重要的是，如此设计既保留了壳间空间缓冲体积变化又能够减轻来自碳壳的机械应力。DCS-Si制备的锂电池在0.2C的电流密度下表现出1802mAh/g的比容量，具有优异的倍率性能和循环性能。

5. Adv. Energy Mater.封面：高性能锂离子电池用硅纳米层嵌入石墨的混合负极[6]

 硅因其高容量成为最具有希望的锂离子电池负极，然而其易脆性、高体积膨胀、低导电率、较难的电极压延工艺以及对过量粘合剂和导电剂的需求阻碍了硅负极的实际应用。因此人们将Si和石墨进行混合作为锂电池负极使用。韩国的Prof. Minseong Ko和Jaephil Cho等人将Si纳米层嵌入石墨/碳材料中，并与商用电极进行对比。石墨/碳与传统石墨之间具有良好的相容性和结构特征，可有效提高锂离子电池硅基负极材料性能。

三、电解液

1. Batteries & Supercaps封面：锂电池电解液中的溶剂化作用[7]

电解液溶剂化是影响锂离子在电解质中的扩散，正负极与电解液SEI的形成以及Li离子在电极表面嵌入和脱嵌的重要因素。清华大学的张强教授团队下的陈翔博士通过密度泛函理论计算研究了离子-溶剂，离子-离子和溶剂-溶剂之间的相互作用。溶剂化效应可以显著降低上述三种相互作用。通过将硝酸锂溶解在不同溶剂中，进一步探索了Li盐在电解质中的溶解行为并进行了实验验证。这项工作提供了对电解液微观溶剂化作用的理论计算，并突出了电解液溶剂化在调节电池性能中的重要作用，为高性能电池的新型电解液设计提供了思路。

2. Angew. Chem. Int. Ed.封面：一种高性能复合聚合物锂离子电池电解液用三维纳米结构水凝胶骨架[8]

固态电解质电池由于其安全性和稳定性被认为可以替代锂离子液体电解液电池。在各种类型的固体电解质中，由于纳米填料和聚合物之间的相互作用，复合聚合物电解质表现出Li+传导性。然而，高浓度纳米填料的聚集是提高Li+传导性的主要障碍。该研究设计了一个三维（3D）纳米结构水凝胶诱导的的Li0.35La0.55TiO3（LLTO）框架，用作高性能复合聚合物锂离子电解液的三维纳米填料。系统渗流研究表明，LLTO骨架的预渗透结构在室温下可将Li+电导率提高到8.8×10-5 S cm-1。

3. Nature Energy封面：用于安全电池的阻燃有机电解液[9]

严重的安全问题阻碍了锂电池的大规模使用。常规的电解液是高度易燃和易挥发的，易引起灾难性的火灾或爆炸，所以人们想到将阻燃剂引入电解液中，然而阻燃剂的加入不适当地钝化碳负极而导致电池性能受损。日本东京大学的Atsuo Yamada等人设计了一种浓缩盐电解液，通过在负极上自发形成坚固的无机钝化膜来解决这一难题。实验证明使用盐和常用的阻燃剂（磷酸三甲酯）的浓缩电解盐，不添加其它添加剂或软粘合剂，就可以使负极稳定充放电循环次数超过1000次（超过一年），循环性能与传统的易燃碳酸盐电解液旗鼓相当甚至比传统的电解液更好。浓缩电解液的钝化特性加上其灭火特性有助于开发安全和持久的锂电池，从而开发出更高能量密度的电池的。

四、SEI膜

1. Chem. Commun.封面：固态锂电池中颗粒大小对离子传输性能的影响[10]

固态锂电池由于其安全性受到人们很大青睐，但其电导率一直没有很好的办法能够解决。潘锋教授的团队在之前研究工作中发现，离子导体可以提高固态电池界面锂离子的传输性能。将多孔MOF作为主体结构，锂离子液体作为离子传输介质，锂离子通过离子液体可以浸润到MOF主体结构中，是不稳定的固态接触变成纳米浸润界面，从而提高Li+的传输性能。在本研究中，作者研究了颗粒大小对MOF-锂离子液体离子传输性能的影响。研发发现，将两种不同大小颗粒的离子导体组合使用，能够有效增加电解液与金属锂表面的接触点，改善锂枝晶的现象。

2. Angew. Chem. Int. Ed.封面：构建有机/无机杂化SEI膜，实现可充电金属电池的快速界面传输[11]

康奈尔大学的Lynden A. Archer等人通过简单的SiCl4交联化学方法在金属负极上原位合成混合态的固体电解质界面（SEI）。与其自发形成的SEI相比，这种由Si-互连OOCOR分子交联LiCl盐的混合SEI表现出快速的电荷转移动力学和高达五倍的交换电流密度。在对称Li / Li和Na / Na电池中Li和Na沉积的电化学分析和直接光学可视化试验表明，混合SEI在高电流密度（3-5 mA cm-2）下，甚至在不稳定的Na金属负极上都可以表现出良好的形态控制。研究还发现，SEI的快速界面传输性能对Li-S电池中也有很好的应用。此项工作为合理设计多功能、弹性SEI膜提供了可借鉴的方法，并且有望克服在高容量金属负极上自发形成的相间物的限制。

3. Angew. Chem. Int. Ed.封面：用于长寿命锂金属负极的柔性SEI膜[12]

金属锂因其高能量密度而被作为负极材料，但锂负极在充放电的循环过程中不稳定的SEI膜就会被破坏，导致副反应的发生和Li枝晶的生长。郭玉国团队设计了一种高弹性的智能锂聚丙烯酸（LiPAA）SEI膜，通过自适应界面来调控锂的嵌入和脱嵌过程，并用原位AFM证明了这个过程。LiPAA聚合物具有高粘合性能和优异的稳定性，使得智能SEI膜可显著减少副反应并大大提高电池安全性。在锂对称电池中可实现700小时的稳定循环。自适应SEI的创新设计可以拓展金属Li负极在电池中的应用。

五、参考文献

  1. J. X.Zheng, Y. K. Ye, T. C. Liu et al. Ni/Li Disordering in Layered Transition Metal Oxide: Electrochemical Impact, Origin, and Control. Acc. Chem. Res., 2019, 52, 2201-2209.
  2. Y. H. Kwon, K. Minnici, J. J. Park et al. SWNT Anchored with Carboxylated Polythiophene “Links” on High-Capacity Li-Ion Battery Anode Materials. J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 5666-5669.
  3. R. Zhang, X. Chen, X. Chen, et al. Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes.Angew. Chem. Int. Ed.，2017, 56, 5633.
  4. H. B. Geng, J. Yang, Z. F. Dai, et al. Na/Li-Ion Batteries: Co9S8/MoS2Yolk–Shell Spheres for Advanced Li/Na Storage. Small, 2017, 26, 3349-3358.
  5. S. Q. Chen, L. F. Shen, Peter A. van Akenet al. Dual‐Functionalized Double Carbon Shells Coated Silicon Nanoparticles for High Performance Lithium‐Ion Batteries. Adv. Mater.，2017，29, 1605650.
  6. S. Chae, N. Kim, J. Ma et al. One-to-One Comparison of Graphite-Blended Negative Electrodes Using Silicon Nanolayer-Embedded Graphite versus Commercial Benchmarking Materials for High-Energy Lithium-Ion Batteries. Adv. Energy Mater.，2017，7, 1700071.
  7. X. Chen, X. Q. Zhang, H. R. Li et al. Cation-Solvent, Cation-Anion, and Solvent-Solvent Interactions with Electrolyte Solvation in Lithium Batteries.Batteries & Supercaps, 2019, 2, 128–131.
  8. J. Bae, Y. T. Li, J. Zhang et al. A 3D Nanostructured Hydrogel-Framework-Derived High-Performance Composite Polymer Lithium-Ion Electrolyte.Angew. Chem. Int. Ed.，2018，57, 2096-2100.
  9. J. H. Wang, Y. Yamada, K. Sodeyama et al. Fire-extinguishing organic electrolytes for safe batteries.Nat. Energy, 2017, 3, 22-29.
  10. K. Wang, L. Y. Yang, Z. Q. Wang et al.Enhanced lithium dendrite suppressing capability enabled by a solid-like electrolyte with different-sized nanoparticles. Chem. Commun., 2018, 54, 13060-13063.
  11. Q. Zhao, Z. Y. Tu, S. Y. Wei et al. Building Organic/Inorganic Hybrid Interphases for Fast Interfacial Transport in Rechargeable Metal Batteries.Angew. Chem. Int. Ed.，2017，57, 992-996.
  12. N. W. Li, Y. Shi, Y. X. Yin et al. A Flexible Solid Electrolyte Interphase Layer for Long-Life Lithium Metal Anodes. Angew. Chem. Int. Ed.，2018, 57, 1505-1509.

本文由April供稿。

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