2017上半年锂电池前沿综述精选
考虑到电池的高能量密度、高电压、原料和制备工艺的低成本等优点，锂离子电池及下一代锂电池（锂硫电池、锂空气电池）的相关材料制备仍然是现阶段储能材料的研究热点。本文精选了2017上半年度包括“金属锂负极”，“ 用于可充电锂电池的基于二维纳米材料的分层结构”，“ 用于锂硫电池的纳米金属氧化物和硫化物”，“ 多孔一维纳米材料的设计、制备及电化学储能应用”，“ 有关锂电池化学反应中的固态电解质”等锂离子电池相关的前沿综述，内容Rio丰富~
1. Nature Nanotechnology综述: 用于高能电池的金属锂负极的复兴！
锂离子电池对人们的日常生活产生了深远的影响，商业化的使用碳负极的锂离子电池现已基本接近其理论容量，难以满足便携电子设备、电动汽车和大规模能量存储等方面越来越高的应用要求。在可用作锂电池负极的材料中，金属锂具有最大的理论能量密度（3860 mAh g−1或2061 mAh cm−3）和最低的电化学势（相对于标准氢电极为-3.04 V），是下一代高能锂电池如Li-S和Li-空气电池的负极材料的最佳选择。然而，金属锂负极在实际应用中易生成枝晶，解决安全性和稳定性的问题是当前金属锂负极研究的重点。斯坦福大学材料科学与工程系的崔屹教授（通讯作者）等人在Nature Nanotechnology发表了题为“Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries”的综述，首次系统总结了当前对于金属锂负极的理解，强调了近期在材料设计和先进表征方法上的重大进展，并且为金属锂负极未来的研究方向提供了参考。
文献链接：Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries(Nat. Nanotechnol., 2017, DOI: 10.1038/NNANO.2017.16)
材料牛详戳：崔屹Nature子刊最新综述：用于高能电池的金属锂负极的复兴！
2．Advanced Energy Materials综述：基于二维纳米材料的分层结构用于可充电锂电池
二维（2D）纳米材料（即石墨烯及其衍生物，过渡金属氧化物和过渡金属二硫族元素）在能量储存应用中受到很多关注，因为它们具有前所未有的性质和极大的多样性。然而，它们在电极制造过程中的重新堆叠或聚集极大地阻碍了其在可再充电锂电池中的进一步开发和应用。最近，基于2D纳米材料的合理设计的分级结构已经成为可再充电锂电池应用中有前景的候选者。研究人员已经开发出许多合成策略来获得分级结构，并且已经实现了基于这些层次结构的高性能储能装置。东北师范大学的谢海明教授和清华大学的李景虹教授（共同通讯）等人在Advanced Energy Materials上发表了题为“Hierarchical Structures Based on Two-Dimensional Nanomaterials for Rechargeable Lithium Batteries”的综述，文章总结了三维（3D）多孔网络纳米结构，中空纳米结构和自支撑纳米阵列三种层次结构的合成和特点，提出了分级结构纳米材料作为锂离子电池、锂硫电池和锂空气电池的功能材料的代表性应用，特别是结构工程与电化学性能改善之间的关系，并提出这个快速发展的领域现有的挑战和前景。
文献链接：Hierarchical Structures Based on Two-Dimensional Nanomaterials for Rechargeable Lithium Batteries（Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201601906）
3. Advanced Materials综述：用于锂硫电池的纳米金属氧化物和硫化物
具有高能量密度和较长循环寿命的锂硫（Li-S）电池被认为是常规锂离子电池之外最有前景的下一代储能系统之一。 研究人员已经提出了各种方法来打破Li-S电池系统的技术障碍。武汉理工大学麦立强教授和清华大学张强副教授（共同通讯作者）课题组在国际顶尖期刊Advanced Materials上联合发表了题为”Nanostructured Metal Oxides and Sulfides for Lithium–Sulfur Batteries”的综述文章。该综述详细报道了最近纳米结构金属氧化物和硫化物用于增强硫利用率和电池寿命的文献，探讨了金属氧化物/硫化物主体材料的内部特性和电化学性能，以及以上材料在固态硫正极、隔膜或隔层、锂金属负极保护、锂聚硫化物电池中的使用，最后作出了对锂硫电池未来发展的展望。
文献链接：Nanostructured Metal Oxides and Sulfides for Lithium–Sulfur Batteries(Adv.Mater.2017,DOI: 10.1002/adma.201601759)
材料牛详戳：麦立强&张强AM综述：用于锂硫电池的纳米金属氧化物和硫化物
4．Advanced Materials综述：多孔一维纳米材料的设计、制备及电化学储能应用
电化学储能（energy storage）技术对便携式电子器件、交通输运以及大型储能系统都是至关重要的。而多孔一维纳米材料（porous one-dimensional nanomaterials）结合了一维纳米结构和多孔构造的优势，极大地促进了电化学储能领域的发展。不久前，武汉理工大学的麦立强教授和加州大学洛杉矶分校的Bruce Dunn教授（共同通讯）等人在顶尖期刊Advanced Materials上联合发表了题为”Porous One-Dimensional Nanomaterials: Design, Fabrication and Applications in Electrochemical Energy Storage”的综述文章。该篇综述非常详实地描述了多孔一维纳米结构、制备以及电化学储能应用，并且讨论了未来的发展方向。
文献链接：Porous One-Dimensional Nanomaterials: Design, Fabrication and Applications in Electrochemical Energy Storage (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201602300)
材料牛详戳：麦立强AM最新综述：多孔一维纳米材料的设计、制备及电化学储能应用
5. Advanced Materials综述：复杂中空结构的可控合成及其在能源存储与转换中的应用
复杂的中空结构（intricate hollow structures）由于其独特的结构特征，迷人的理化性质和广泛的应用领域极大地吸引了科研工作者的兴趣。最近，武汉理工大学的麦立强教授和周亮教授（共同通讯）等人在著名材料类期刊Advanced Materials上发表了题为“Intricate Hollow Structures: Controlled Synthesis and Applications in Energy Storage and Conversion”的综述文章。这篇综述主要从复杂的中空结构可控合成方法及其在能源存储与转换中的应用这两方面回顾了复杂中空纳米结构的研究进展，主要对其合成方法论做了一个详细的分类和讲解。
文献链接：Intricate Hollow Structures: Controlled Synthesis and Applications in Energy Storage and Conversion (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201602914)
材料牛详戳：麦立强AM最新综述：复杂中空结构的可控合成及其在能源存储与转换中的应用
6．Nano Energy综述：全固态可充电锂电池最新进展
化学电池在能量的存储和转换等方面发挥着重要作用。目前锂离子电池由于其相对较高的能量密度而被认为是最有前景的一类电池。传统的锂离子电池通常使用离子电导率相对较高的有机液体电解质，但是存在着安全性差、寿命较短、能量密度低等一系列缺点。相比于使用液体电解质的锂离子电池，使用不可燃的固体电解质的全固态锂电池则可以避免这些问题，因而正受到世界范围研究者们广泛的关注。而电极/电解质界面问题是全固态锂电池所面临的挑战，严重阻碍了其发展和应用。中科院北京纳米能源与系统研究所孙春文研究员（通讯作者）、中南大学刘晋教授和上海大学张久俊教授（共同通讯）等在能源领域著名期刊Nano Energy上发表了题为“Recent advances in all-solid-state rechargeable lithium batteries”的综述，系统总结了全固态锂电池的最新研究进展和产业化进程，重点讨论了固体电解质和电极/电解质界面存在的问题以及现有的解决方法，为全固态锂电池未来的研究方向和新型固体电解质材料以及电池结构设计等方面的研究提供了参考。
文献链接：Recent advances in all-solid-state rechargeable lithium batteries (Nano Energy, 2017, DOI：10.1016/j.nanoen.2017.01.028)
材料牛详戳：孙春文&张久俊Nano Energy最新综述：全固态可充电锂电池最新进展
7. Energy &Environmental Science综述：可再充电锂电池和锂离子电池的转换正极
以Ni和Co为基础的商业化锂离子（Li-ion）电池插层型正极材料正面临着低比能量，高毒性和高成本的问题。这种电池的能量存储特性的进一步增加是具有挑战性的，因为这种插层化合物的容量已经接近其理论值，并且其最大电压的进一步增加会引起严重的安全性问题。随着新型应用需要更轻，更小，更安全和更低成本的电池，以便更广泛地使用在插电式混合动力车和纯电动车辆（PHEV和EV），无人驾驶和可再生能源，以及便携式储能市场的快速扩张，如太阳能和风能，因此转换型正极材料是下一代可再充电锂离子电池的重要选择。这些正极的性能改进的持续快速进展在将来的应用中是非常重要的。
佐治亚理工学院Gleb Yushin教授（通讯作者）等在能源领域著名期刊Energy &Environmental Science上发表了题为“Conversion cathodes for rechargeable lithium and lithium-ion batteries”的综述。文章中作者考虑了周期表中用于转换正极元素的价格、丰度和安全性。进一步比较了运用广泛的转换材料的特定容量和体积容量。还通过提供负极为石墨、硅（Si）和锂负极的锂电池的实际可实现的体积能量密度和比能量模型，直接观察了正极化学的影响。同时叙述了在电池中使用转化型活性物质时所面临的主要挑战，以及克服它们的一般策略。最后讨论了降低成本和提高性能的未来趋势和前景。
文献链接：Conversion cathodes for rechargeable lithium and lithium-ion batteries（Energy Environ. Sci.，2017，DOI:10.1039/C6EE02326F）
8. Advanced Energy Materials综述：高负载和高能量的锂硫电池
锂硫电池由于具有高比能量、低成本和环境友好等特点而受到了广泛关注。然而，在实际应用的道路上，仍有一些挑战亟待解决，循环寿命短和硫负载量低是最尖锐的难题。来自清华大学的张强副教授（通讯作者）等人在Advanced Energy Materials上发表了题为“Review on High-Loading and High-Energy Lithium–Sulfur Batteries”的综述，总结了锂硫电池研究领域在高硫负载量、高能量密度方面的进展，重点介绍了正极的基础电化学反应，硫寄主/多硫化物/Li2S界面宿主工程，颗粒设计和电极结构；负极的金属锂和非金属负极；界面隔膜的修饰以及这些影响因素的综合配置。
原文链接：Review on High-Loading and High-Energy Lithium–Sulfur Batteries（Adv. Energy Mater. 2017,DOI: 10.1002/aenm.201700260）
材料牛详戳：张强Adv. Energy Mater最新综述：高负载和高能量的锂硫电池
9. Advacned Materials综述：高性能Li-X(X=O2,S,Se,Te,I2,Br2)电池先进正极材料和电池模型设计最新进展
自1991年以来，大量电极材料（如LiNiO2、LiMn2O4和LiV3O8等）已经被视为商业化LiCoO2正极材料的代替品。尽管这些电极材料有着改良的功率/能量密度，但是因为其工作电压、能量密度、倍率特性仍然受现在技术所限制，所以仍然很难找到合适的进行大范围商业化电动车所需的电极材料。就这一点而言，人们需要发展更高功率/能量密度的锂离子电池电极材料。同时，电极很大程度上决定了电池的理论容量和能量密度，而且就金属锂基负极而言，Li-X电池的电化学性能取决于X正极。来自湖南大学的马建民副教授和北京大学的郭少军研究员(共同通讯)等人在国际著名期刊Advacned Materials上发表了题为”Recent Progress in the Design of Advanced Cathode Materials and Battery Models for High-Performance Lithium-X (X = O2, S, Se, Te, I2, Br2) Batteries”的综述文章。该文章讨论了Li-O2、Li-S电池领域正极材料发展过程中出现的问题及其解决方法。在新兴的Li-Se、Li-Te电池中，总结了其作为锂电池正极的优势以及电化学性能的最新研究进展。在Li-I2 (Br2)新兴电池中，总结了不同电池设计(例如双电解液、全有机电解液、有/无阴极流模式和集成燃料电池/太阳能电池)的优势以及电化学性能。最后概括了Li-X电池的研究进展、主要挑战和未来展望。
文献链接：Recent Progress in the Design of Advanced Cathode Materials and Battery Models for High-Performance Lithium-X (X = O2, S, Se, Te, I2, Br2) Batteries (Adv.Mater.2017,DOI: 10.1002/adma.201606454)
10. National Science Review综述：基于转换反应的可充电锂金属电池
锂离子电池应用于消费电子领域已经有二十年的历史，传统的锂电池都是基于锂离子的嵌入和脱嵌实现电能的存储和释放，然而，这种电池的理论容量限制了其进一步发展。最近，来自中科院化学研究所的郭玉国研究员和中科院长春应用化学研究所的张新波研究员（共同通讯）等人发表了关于基于转换反应的可充电锂离子电池的综述。文中以Li-S电池和Li-O2电池为例，聚焦于新兴锂离子电池中的转换反应。对电池中关键组分的基础电化学和近期研究进展进行了广泛的讨论，指出了在Li-S电池和Li-O2电池中转换反应面临的主要问题和解决策略，并对进行最优性能电池的设计进行了阐述。
文献链接： Progress of rechargeable lithium metal batteries based on conversion reactions（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww078）
11．Advanced Materials综述：下一代高能电池：锂金属电池的复兴！
锂金属电池（LMBs）是最有希望的下一代高能量密度存储设备之一，能够满足新兴行业的严格要求。然而，直接应用金属锂可能带来安全问题、较差的倍率和循环性能，甚至负极材料在电池内部的粉碎。其主要原因包括大极化和强电场引起的异质沉积导致的枝晶生长、金属锂极度活泼、循环时锂体积无限变化等。这些缺点严重阻碍了LMBs的商业化。电池领域的各研究小组深入探讨了锂金属负极的失效机理，提出了解决上述问题的有效方法。并对锂离子的沉积行为、枝晶成核和生长机理、负极-电解质界面的影响等进行了深入研究。2014年~2016年，500多篇涉及上述难题的论文得以出版，2016年以来平均每月有15篇相关文章出炉。这些研究对下一代高能量密度LMBs锂负极的复兴起了很大作用。华中科技大学的翟天佑教授和李会巧教授（共同通讯）等人在Advanced Materials上发表了题为“Reviving Lithium-Metal Anodes for Next-Generation High-Energy Batteries”的综述文章。文章介绍了锂离子沉积/溶解行为的最新进展，以及锂金属负极的失效机理。
文献链接：Reviving Lithium-Metal Anodes for Next-Generation High-Energy Batteries(Adv.Mater.,2017,DIO:10.1002/adma.201700007)
材料牛详戳：翟天佑&李会巧Adv. Mater.综述：下一代高能电池：锂金属电池的复兴！
12. Nature Reviews Materials综述：有关锂电池化学反应中的固态电解质
电池在我们生活中的实际应用起着重要的作用，包括电子消费，提供汽车的动力，间歇性可再生能源发电的固定负载等。然而，目前的商业化电池已经不能满足社会快速发展下的需求，比如便携式电子器件、电动车、网络储能系统的等。现在电池的发展需要具有更高的能量密度、更长的循环寿命，而且更安全廉价。过去200年间，绝大部分电池的研究关注的都是液态电解质系统，即使其具有高导电性和优秀的电极表面润湿性，但其电化学性能和热稳定性不好，离子选择性低，安全性差。而用固态电解质替代液态电解质不仅克服了液态电解质持久的问题,也为开发新的化学电池提供了可能性，基于这些优点，固态电解质电池的研究使用已经出现迅速增长的趋势。随着不断地研究，研究者们也已经认识到这些系统所面临的科技问题。德克萨斯大学的Arumugam Manthiram教授（通讯作者）等人以“Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes”为题在Nature Reviews Materials上发表综述，本文中提供了一个背景概览，讨论了储能应用中的固态电解质材料的类型、离子传输机制和基本性质。
文献链接：Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes.( Nat. Rev. Mater., 2017, DOI: 10.1038/natrevmats.2016.103)
材料牛详戳：Nature子刊综述：有关锂电池化学反应中的固态电解质
【小结】
结合2017上半年度的顶刊综述，我们可以总结出，锂离子电池现阶段的研究热点主要集中在锂金属负极的研究和改性（4篇相关），分级结构以及纳米中空结构的形貌研究（3篇相关），全固态电池及固态电解质（3篇相关），锂硫电池（2篇）等，但不论是哪方面的研究都是围绕着解决锂电池的核心问题（能量密度，安全性，功率密度）来进行的，这些问题也是锂电池现阶段乃至将来很长一段时间研究人员所需要努力的方向。
本文由材料人新能源学术小组 背逆时光 供稿，参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”。
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