什么样的电池成果才能登顶《Nature》大子刊，了解一下！

自1869年创刊以来，《Nature》至今已有153年的历史，作为世界上最负盛名的科学杂志之一，其地位早已冠绝天下，可能唯有《Science》与之一战。为了更好地传递前沿科学，《Nature》针对不同特定领域又陆续推出了数十本子刊。这些子刊“含着金汤匙”而生，天生注定备受关注，当然要求也十分严苛。作为其中的大子刊，Nature Energy、Nature Materials和Nature Nanotechnology 近些年的影响因子都已超过30，能够登顶其中的研究工作大多十分出色。那么今天，笔者就来盘点一下近期登上这三大子刊的电池成果，以供大家参考！

1 Nature Energy：用于大众市场电动汽车的热调制磷酸铁锂电池

对高能量密度的追求促使电动汽车电池从早期使用磷酸铁锂（LFP）正极发展到日益富镍的三元层状氧化物。然而，LFP电池由于其无与伦比的安全性以及低成本和无钴的特性，不可能被放弃。在这里，美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士展示了一种热调制LFP电池，该电池在60°C左右工作，可在全气候条件下实现10分钟的快速充电，能够提供足够的巡航里程，基本上避免电动汽车的续航焦虑，有望成为大众市场电动汽车的完善动力系统。此外，该研究还发现，高温下有限的工作时间为使用低表面积石墨提供了机会，从而有望将电动汽车的寿命延长到200万英里以上。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-020-00757-7

2 Nature Energy：非锂离子电池的生产及其与锂离子电池生产基础设施的兼容性

锂离子电池是目前最先进的电化学储能技术，因为它在性能和成本之间有着良好的平衡。在电动汽车市场预期增长的推动下，该技术的电池生产能力正在不断扩大。然而，出于对更好性能的需求，特别是更高的能量密度和更低的成本，已经引发了对其它电池技术的研究，如固态锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池以及钠离子电池等。目前，这些技术在材料化学和电池设计方面正在进行深入的研究。在这篇综述中，德国明斯特大学Richard Schmuch、Fabian Duffner等人扩展了这个领域的现有知识。从市场前景和技术差异分析入手，讨论了这些技术的制造工艺。对于每一项技术，分析了正负极生产、电池组装和调配。然后，评估了每种技术与锂离子生产基础设施的制造兼容性，并讨论了其对加工成本的影响。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-020-00748-8

3 Nature Energy：固态电池薄而坚固的电解质的加工

高能量密度固态电池（SSBs）的广泛应用需要具有成本效益的工艺和集成厚度与传统锂离子电池聚合物隔膜大致相同的固态电解质。在这篇综述中，美国麻萨诸塞州理工大学Jennifer L. M. Rupp重点讨论了SSBs加工的研究现状以及最近的成本计算，并从厚陶瓷和薄陶瓷的性能参数方面比较了SSBs氧化物电解质材料和工艺的选择。作者认为，对于未来的SSBs设计来说，除了Arrhenius锂输运的经典图和电化学稳定性窗口外，至关重要的是需要掌握氧化物固态电解质（即锂磷氧氮化物、钠超离子导体、钙钛矿和石榴石）的热处理预算和相关相的稳定性。过渡到厚度接近锂离子电池隔膜的SSBs氧化物电解质膜可以为低温陶瓷制造和潜在的成本降低提供充足的机会。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41560-020-00759-5

4 Nature Materials：通过锂取代释放O3型钠3d层状氧化物中的阴离子氧化还原活性

钠离子电池由于具有可持续性，因此在特定应用中可以成为锂离子技术的诱人替代品。然而，设计高能量密度和湿气稳定的钠基正极仍然具有挑战性。近日，法国巴黎索邦大学Jean-Marie Tarascon等人报道了一种具有阴离子氧化还原活性的O3型NaLi_1/3 Mn_2/3O₂正极材料，该材料是通过仔细调节合成条件和化学计量比并改变陶瓷工艺获得的。该正极材料显示出190 mAh g^-1的可逆容量，与迄今为止报道的许多其他阴离子氧化还原层状氧化物不同，O3-NaLi_1/3 Mn_2/3O₂电极在循环时没有显示出明显的电压衰减。通过密度泛函理论进一步阐明了层间和层内3d阳离子迁移在阴离子氧化还原电极主导电压衰减中的作用。这种材料的另一个实用价值来源于它的水分稳定性，因此便于处理和电极加工。总的来说，这项工作为设计高性能钠电极提供了未来的方向。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41563-020-00870-8

5 Nature Materials：重新审视金属氟化物在锂离子电池中的锂化机制

金属氟化物是一种很有前景的锂离子电池正极材料，由于被广泛认为在锂化时会发生重构相变，因此已将其归类为转化材料。近日，英国剑桥大学Clare P. Grey、Xiao Hua等人通过使用X射线全散射和电子衍射技术，结合密度泛函理论计算，在多个长度尺度上测量FeF₃的结构，并通过回顾先前FeF₂和CuF₂的实验研究，对这一观点提出了挑战。金属氟化物的锂化作用由扩散控制的置换机制所主导，并且在金属氟化物F⁻子晶格和LiF子晶格之间建立了清晰的拓扑关系。FeF₃的初始锂化在颗粒表面形成FeF₂，以及阳离子有序和堆积无序相A-Li_xFe_yF₃，该相在结构上与α-/β-LiMn²⁺Fe³⁺F₆相关，并且有可能先形成B-Li_xFe_yF₃，然后形成C-Li_xFe_yF₃，最后再形成LiF和Fe。FeF₂和CuF₂的锂化导致FeF₂/CuF₂和LiF之间的缓冲相。由此产生的原理将有助于更广泛的同构金属氟化物的未来发展。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41563-020-00893-1

6 Nature Materials：利用X射线计算机断层扫描技术将固态电池中的空隙及相间演化与电化学联系起来

尽管固态电池工程取得了进展，但与固液界面相比，人们对控制电化学行为和固液界面稳定性的化学机械现象的理解仍然有限。在这里，美国佐治亚理工学院Matthew T. McDowell利用原位同步辐射X射线计算机断层扫描技术来研究锂/固态电解质界面在电池循环过程中的演变，揭示了空隙形成、相间生长和体积变化之间复杂的相互作用对电池性能的影响。锂剥离过程中的空隙形成在对称电池中被直接观察到，锂和固态电解质（Li₁₀SnP₂S₁₂）之间界面上驱动电流收缩的接触损失被量化，这两者被认为是导致电池失效的主要原因。研究发现，界面相在充电时具有氧化还原活性，并且由于电极的偏摩尔体积不匹配而发生整体体积变化。这些结果提供了化学机械现象如何影响电池性能的见解，从而促进了固态电池的发展。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41563-020-00903-2

7 Nature Nanotechnology：锂金属负极SEI中LiH和LiF的识别

全面了解固态电解质界面（SEI）的组成对开发基于锂金属负极的高能电池至关重要。一个特别有争议的问题涉及在SEI中LiH的存在。近日，美国布鲁克海文国家实验室Xiao-Qing Yang、Enyuan Hu、西北太平洋国家实验室Jie Xiao利用同步辐射X射线衍射和对分布函数分析来识别和区分锂金属负极SEI中两个难以捉摸的组分LiH和LiF。这项研究证实LiH是SEI的大量组成部分，并讨论了其在文献中被误认为LiF的可能性。此外，研究发现SEI中的LiF具有与体相LiF不同的结构特征，包括较大的晶格参数和较小的晶粒尺寸（<3nm）。这些特性有利于Li⁺的传输，并解释了为什么离子绝缘体（如LiF）被认为是SEI的有利成分。最后，对分布函数分析揭示了SEI中的关键非晶成分。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41565-020-00845-5

本文由月轮供稿。

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