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沐春風(fēng)，品儲(chǔ)能系列頂刊好文丨開年最新頂刊大合集~

來源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2020-12-02 14:44:08 瀏覽：3912次

（一）Shizhang Qiao頂刊EES綜述：原子尺度改性的過渡金屬硫族化合物用于堿金屬電池

（一）Shizhang Qiao頂刊EES綜述：原子尺度改性的過渡金屬硫族化合物用于堿金屬電池

在過去的十年間，過渡金屬硫族化合物（TMDs）用于堿金屬離子電池得到大力發(fā)展，然而它們的電化學(xué)性能仍然不佳，主要來源于轉(zhuǎn)化反應(yīng)導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)堆積與破壞。近年來，人們逐漸發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不同形貌可成為一種解決辦法，這一系列結(jié)果也被廣泛研究與總結(jié)。與此同時(shí)，從原子尺度調(diào)控TMDs的電化學(xué)性能，包括表面缺陷、層間距擴(kuò)大、相轉(zhuǎn)變、合金化與雜原子摻雜已經(jīng)被證實(shí)是一種有效手段。

然而，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其對(duì)堿金屬離子電池電化學(xué)儲(chǔ)能過程中機(jī)理的影響尚未被歸納和總結(jié)。2020年澳大利亞阿德萊德大學(xué)Shizhang Qiao教授與天津大學(xué)Naiqing Zhao教授共同在國(guó)際頂級(jí)期刊EES上撰文，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論模擬的角度綜述了原子尺度調(diào)控TMDs基復(fù)合物用于堿金屬離子電池。同時(shí)，系統(tǒng)描述了改性手段與電化學(xué)性能之間的關(guān)系、并闡述了此方向的未來趨勢(shì)。

綜述關(guān)鍵圖文：

TMDs基化合物在堿金屬離子電池中的儲(chǔ)能反應(yīng)機(jī)理

圖1 TMDs基化合物在堿金屬離子電池中的儲(chǔ)能反應(yīng)機(jī)理

以MoS2為例，一個(gè)充放電周期后的相轉(zhuǎn)變與微觀結(jié)構(gòu)變化

圖2 以MoS₂為例，一個(gè)充放電周期后的相轉(zhuǎn)變與微觀結(jié)構(gòu)變化

不同TMDs和鋰離子接觸時(shí)的結(jié)合能變化曲線，以及鈉離子和MoS2作用中的相轉(zhuǎn)變

圖3 不同TMDs和鋰離子接觸時(shí)的結(jié)合能變化曲線，以及鈉離子和MoS₂作用中的相轉(zhuǎn)變

文獻(xiàn)信息：Transition Metal Dichalcogenides for Alkali Metal Ion Batteries: Engineering Strategies at Atomic Level. Biao Chen, Dongliang Chao, Enzuo Liu, and et al. Energy Environ. Sci., 2020, https://doi.org/10.1039/C9EE03549D.

（二）澳大利亞新南威爾士大學(xué)Dawei Wang 課題組2020年EES綜述：金屬-硫基電池中硫的共價(jià)固定作用

澳大利亞新南威爾士大學(xué)Dawei Wang 課題組2020年EES綜述：金屬-硫基電池中硫的共價(jià)固定作用

硫是世界上儲(chǔ)量豐富的元素，作為一種兩電子反應(yīng)體系，硫在金屬-硫電池中發(fā)揮重要作用。然而，該類電池的實(shí)際應(yīng)用受到諸如低電導(dǎo)率、硫中間產(chǎn)物流失等問題。通常，科研人員基于物理限制和化學(xué)吸附的表面固定法來穩(wěn)定硫以及促進(jìn)硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

在金屬-硫電池中，共價(jià)結(jié)合硫材料是一種有效而且較為新穎的技術(shù)，已經(jīng)顯示出良好的應(yīng)用前景，此方法可以使得硫和載體之間的分子相互作用增強(qiáng)。2020年1月新南威爾士大學(xué)Dawei Wang教授在EES上撰文綜述，提出一種共價(jià)固定硫的概念，他們提出一種基于共價(jià)含硫化合物和復(fù)合物之間共價(jià)作用，這種電極可用于各種可充電金屬-硫電池。

在綜述中，他們首先討論了共價(jià)固硫的分類；其次該課題組總結(jié)了最先進(jìn)的基于共價(jià)硫的材料及其制備方法。最后，對(duì)眾所周知的鋰硫電池進(jìn)行重點(diǎn)闡述，其中包括共價(jià)硫活性材料的正極，電池的反應(yīng)機(jī)理和材料創(chuàng)新。討論了諸如Na-S和K-S堿金屬硫電池體系中共價(jià)固硫的研究進(jìn)展。該課題組通過綜述展望了利用共價(jià)固定策略優(yōu)化硫氧化還原工藝的前景。作者展望時(shí)指出，本綜述將使共價(jià)固定硫受到越來越多的關(guān)注。

綜述關(guān)鍵圖文：

不同溫度下硫元素的相轉(zhuǎn)變過程

圖1 不同溫度下硫元素的相轉(zhuǎn)變過程

物理約束à化學(xué)吸附à共價(jià)固定的混硫策略演示及原理圖示

圖2 物理約束à化學(xué)吸附à共價(jià)固定的混硫策略演示及原理圖示

典型的鋰硫電池中硫狀態(tài)隨電壓和時(shí)間變化曲線

圖3 典型的鋰硫電池中硫狀態(tài)隨電壓和時(shí)間變化曲線

文獻(xiàn)信息：Covalent fixing of sulfur in metal-sulfur batteries. Ruopian Fang, Jiangtao Xu, Da-Wei Wang. Energy Environ. Sci., 2020, https://doi.org/10.1039/C9EE03408K.

（三）中南大學(xué)EES綜述：有機(jī)電極在鈉離子電池中的應(yīng)用

中南大學(xué)EES綜述：有機(jī)電極在鈉離子電池中的應(yīng)用

有機(jī)電極材料給高能量-高功率，低成本且環(huán)境友好的鈉離子電池注入新鮮活力。經(jīng)過多年的發(fā)展，有機(jī)電極材料用于鈉離子電池尚未被系統(tǒng)開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用。這主要由于過多研究經(jīng)驗(yàn)都放在了無(wú)機(jī)系列的電極材料的開發(fā)，因?yàn)檫@些無(wú)機(jī)材料在鋰離子電池中應(yīng)用的可行性已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。

隨著近年來對(duì)有機(jī)電極在鈉離子電池中的實(shí)踐和文章數(shù)量激增，中南大學(xué)Haiyan Wang教授和Xiaobo Ji教授在EES上撰文，首次針對(duì)不同種類的有機(jī)材料的儲(chǔ)納機(jī)理進(jìn)行綜述。作者相信從深入了解氧化還原電對(duì)反應(yīng)的機(jī)理開始，對(duì)開發(fā)新型鈉離子電池用有機(jī)電極材料具有重要指導(dǎo)意義，也對(duì)現(xiàn)有化合物的性能增強(qiáng)是有益的。

綜述關(guān)鍵圖文：

從1985年到2019年間的鈉離子電池有機(jī)電極發(fā)展歷史

圖1 從1985年到2019年間的鈉離子電池有機(jī)電極發(fā)展歷史

幾種增強(qiáng)鈉離子電池有機(jī)電極性能的方法

圖2 幾種增強(qiáng)鈉離子電池有機(jī)電極性能的方法

幾種有機(jī)化合物電極材料的比容量和儲(chǔ)納電壓對(duì)比

圖3 幾種有機(jī)化合物電極材料的比容量和儲(chǔ)納電壓對(duì)比

文獻(xiàn)信息：Understanding the Sodium Storage Mechanisms of Organic Electrodes in Sodium Ion Batteries: Issues and Solutions. Ranjusha Rajagopalan, Yougen Tang, and et al. Energy Environ. Sci., 2020, https://doi.org/10.1039/C9EE03637G.

（四）華盛頓大學(xué)曹國(guó)忠/北京科技大學(xué)田建軍Advanced Materials綜述：可充電電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中活性材料的表界面調(diào)控

華盛頓大學(xué)曹國(guó)忠/北京科技大學(xué)田建軍Advanced Materials綜述：可充電電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中活性材料的表界面調(diào)控

材料的表界面研究一直是能源轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存領(lǐng)域的熱點(diǎn)。當(dāng)今世界對(duì)清潔可持續(xù)能源的需求不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)了世界范圍內(nèi)對(duì)能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能裝置的新型活性材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)的巨大投資。因此設(shè)計(jì)不同材料之間的表界面是實(shí)現(xiàn)高能量密度電池和高效太陽(yáng)能電池的最可靠和最佳研究途徑之一。

對(duì)于可充電電池研究來說，其主要通過電極和電解質(zhì)之間的界面上的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的可逆轉(zhuǎn)換；而金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSC）是最有前途的光伏材料之一，其功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）在不到10年內(nèi)飆升至超過25%，這種進(jìn)展主要是通過控制結(jié)晶度和表面/界面缺陷實(shí)現(xiàn)的。因此表界面在上述兩種器件中的存在重要性是顯而易見的。

基于此，北京科技大學(xué)田建軍教授聯(lián)合華盛頓大學(xué)曹國(guó)忠教授課題組對(duì)這些器件中活性材料的界面和界面間的形成和功能進(jìn)行了重點(diǎn)討論和關(guān)鍵分析，并描述了用于克服當(dāng)前挑戰(zhàn)的前瞻性策略。這些策略主要圍繞著控制RBs和PSCs的各種界面的化學(xué)成分、缺陷、穩(wěn)定性和鈍化。

綜述關(guān)鍵圖文：

液態(tài)和固態(tài)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)模型，電池中能量密度和能量效率示意圖

圖1 液態(tài)和固態(tài)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)模型，電池中能量密度和能量效率示意圖

固體和液體的界面接觸模型，電解液和電池中能級(jí)示意圖

圖2 固體和液體的界面接觸模型，電解液和電池中能級(jí)示意圖

文獻(xiàn)信息：Interphases,Interfaces, and Surfaces of Active Materials in Rechargeable Batteries andPerovskite Solar Cells. ChaofengLiu, Jifeng Yuan, Robert Masse, and et al. Advanced Materials. 2020, DOI: 10.1002/adma.201905245, https://doi.org/10.1002/adma.201905245.

（五）Oliver G. Schmidt 等人Energy Storage Materials: 芯片上具有超高區(qū)域能量密度的3D叉指微型超級(jí)電容器

Oliver G. Schmidt 等人Energy Storage Materials: 芯片上具有超高區(qū)域能量密度的3D叉指微型超級(jí)電容器

微型化電子產(chǎn)品，如可穿戴設(shè)備、無(wú)線微傳感器、微/納米機(jī)器人、植入式醫(yī)療設(shè)備和微機(jī)電系統(tǒng)等的巨大進(jìn)步，對(duì)小型、柔性、輕便和高性能的儲(chǔ)能設(shè)備提出了迫切的要求。具有三維（3D）納米結(jié)構(gòu)的高性能微型超級(jí)電容器（MSCs）具有改善儲(chǔ)能性能的巨大潛力，被認(rèn)為是智能微電子的理想獨(dú)立電源。

基于此，Oliver G. Schmidt教授課題組將Cu_0.56Co_2.44O₄@MnO₂核-殼納米管和碳納米管通過一種快速，方便和可擴(kuò)展的方式集成到一個(gè)3D混合非對(duì)稱MSC中。由于3D電極和活性材料的分層結(jié)構(gòu)，該混合MSC在3.2 mA cm^?2時(shí)的比表面積電容為665.3 mF cm^?2，在8000次循環(huán)后的容量保持率為89.8%，具有良好的循環(huán)性能。

同時(shí)，MSC還顯示出182.3 μWh cm^?2的超高能量密度，該能量密度幾乎高于以前報(bào)告的所有能量密度值。此外，MSCs與太陽(yáng)能電池和LED的集成實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)能源的轉(zhuǎn)移，存儲(chǔ)和使用，顯示出在小型化智能電子產(chǎn)品中的巨大潛力。該制造方法可以為構(gòu)造用于小型電子設(shè)備中的各種可集成的高性能能量存儲(chǔ)設(shè)備開辟新的策略。

文獻(xiàn)信息：On-Chip 3D Interdigital Micro-Supercapacitors with Ultrahigh Areal Energy Density. Fei Li, Ming Huang, Jinhui Wang, and et al. Energy Storage Materials, 2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.01.008.

（六）華北電力大學(xué)李美成教授2020年Nano Energy：多功能芳綸納米纖維助力全固態(tài)鋰電聚合物電解質(zhì)

華北電力大學(xué)李美成教授2020年Nano Energy：多功能芳綸納米纖維助力全固態(tài)鋰電聚合物電解質(zhì)

作為固體聚合物電解質(zhì)在鋰離子電池中應(yīng)用的瓶頸，離子電導(dǎo)率和機(jī)械穩(wěn)定性兩個(gè)是需要考慮的因素。基于此，華北電力大學(xué)的李美成教授課題組采用芳香族聚酰胺納米纖維（ANFs）作為多功能納米添加劑，利用 ANFs之間的氫鍵相互作用實(shí)現(xiàn)了具有3D ANF網(wǎng)絡(luò)框架的聚環(huán)氧乙烷（PEO）-LiTFSI電解質(zhì)的制備與應(yīng)用。ANF與PEO鏈和TFSI的陰離子之間的氫鍵相互作用既可以防止ANF的團(tuán)聚、抑制PEO結(jié)晶，也可以促進(jìn)LiTFSI的離解并延長(zhǎng)3D ANF骨架/PEO-LiTFSI界面上的離子傳輸路徑。

因此，經(jīng)過ANF改性的電解質(zhì)的室溫電導(dǎo)率為8.8×10^?5 S cm^?1。歸因于3D ANF框架，含ANF的復(fù)合電解質(zhì)還表現(xiàn)出極大的機(jī)械強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性，電化學(xué)穩(wěn)定性和抑制鋰枝晶的能力?；贚iFePO₄和Li作為電極、配以ANF基復(fù)合電解質(zhì)組裝的電池可表現(xiàn)出更好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在0.4 C下100次循環(huán)后的容量為135 mAh g^?1。該研究提供了一種新穎有效的策略，可以通過在復(fù)合電解質(zhì)設(shè)計(jì)中采用有機(jī)納米填料來全面升級(jí)的聚合物電解質(zhì)，并揭示離子輸運(yùn)機(jī)制，從而有望實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰離子電池應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息：. Comprehensively-upgraded polymer electrolytes bymultifunctional aramid nanofibers for stable all-solid-state Li-ion batteries. LehaoLiu, Jing Lyu, Jinshan Mo, and et al. Nano Energy, 2020. DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104398.

（七）江蘇師范大學(xué)Chao Lai教授 2020年ACS Nano：MXene界面層助力高載量鋰碘電池穩(wěn)定性

江蘇師范大學(xué)Chao Lai教授 2020年ACS Nano：MXene界面層助力高載量鋰碘電池穩(wěn)定性

隨著人們生活的進(jìn)步，也對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了越來越嚴(yán)格的要求。目前，包含碘正極和鋰金屬負(fù)極的可充電鋰碘（Li-I₂）電池有望滿足這些需求。這些系統(tǒng)具有較高的工作電壓（平均工作電壓為2.9 V），較高的理論容量（211 mAh g^-1）和良好的倍率性能。此外，碘的含量極為豐富使鋰離子電池比同等電池在經(jīng)濟(jì)上更優(yōu)惠。因而使得鋰碘（Li-I₂）電池成為下一代電化學(xué)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的有希望的候選者。

然而，碘和碘化物的溶解阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。近日，南開大學(xué)Jiajie Liang，湖南師范大學(xué)Jie Qu和江蘇師范大學(xué)Chao Lai等人提出了具有三維分層多孔結(jié)構(gòu)的Ti₃C₂Cl_x-MXene泡沫作為L(zhǎng)i-I₂電池中的正極-電解質(zhì)界面層，在高碘含量和高載量下實(shí)現(xiàn)了高倍率和極穩(wěn)定的循環(huán)性能。

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表征表明，具有高金屬電導(dǎo)率的Ti₃C₂Cl_x-MXene片不僅與I₂形成極強(qiáng)的化學(xué)鍵合以抑制穿梭效應(yīng)，而且還促進(jìn)了循環(huán)過程中的氧化還原反應(yīng)。結(jié)果表明，即使使用5.2 mg cm^-2的超高載量，使用含70％重量百分比I₂的正極的Li-I₂電池也可以在2 C的倍率下循環(huán)1000次不衰減。使用Ti₃C₂Cl_x-MXene界面層可以實(shí)現(xiàn)高能Li-I₂電池的構(gòu)筑和應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息：Ti₃C₂T_x MXene Interface Layer Driving Ultra-Stable Lithium-Iodine Batteries with Both High Iodine Content and Mass Loading. Chuang Sun, Xinlei Shi, and et al. ACS Nano, 2020, 14, 1, 1176-1184. DOI:10.1021/acsnano.9b09541.

（八）北京航空航天大學(xué)楊樹斌教授ACS Nano：錨定單原子Zn的MXene（Ti₃C₂Cl_x）負(fù)極用于緩解鋰枝晶

北京航空航天大學(xué)楊樹斌教授ACS Nano：錨定單原子Zn的MXene（Ti3C2Clx）負(fù)極用于緩解鋰枝晶

隨著電子汽車以及便攜式電子設(shè)備的飛速發(fā)展，基于石墨負(fù)極的商用鋰離子電池（LIB）由于能量密度低而無(wú)法滿足其要求。鋰金屬因具有高比容量（3860 mAh g^-1）和低電勢(shì)（3.04 V vs SHE）成為最有前景的鋰離子電池負(fù)極材料之一。

然而由于鋰離子的不均勻分散，鋰負(fù)極往往會(huì)產(chǎn)生無(wú)法控制的枝晶，對(duì)鋰離子電池的安全操作帶來嚴(yán)重的危害。此外，鋰體積的無(wú)限變化和高化學(xué)還原性進(jìn)一步使固體電解質(zhì)界面（SEI）膜易碎，消耗鋰和電解質(zhì)。這些問題通常會(huì)有損循環(huán)穩(wěn)定性、降低庫(kù)侖效率和能量密度，從而妨礙了其實(shí)際應(yīng)用。

2002年北京航空航天大學(xué)楊樹斌教授課題組使用了一種將單個(gè)鋅原子固定在MXene（Ti₃C₂Cl_x）層（Zn-MXene）上的方法來有效地誘導(dǎo)Li成核和生長(zhǎng)。在最初的沉積階段，由于存在大量的鋅原子，鋰傾向于在Zn-MXene層的表面上均勻地成核，然后由于邊緣處存在一種被稱作“避雷針”的效應(yīng)，即沿著成核的位置垂直生長(zhǎng)，從而形成沒有鋰枝晶的碗狀鋰。因此，通過使用Zn-MXene膜作為鋰負(fù)極，可獲得11.3±0.1 mV的低過電勢(shì)，長(zhǎng)的循環(huán)壽命（> 1200 h）以及高達(dá)40 mAh cm^-2的深度剝離-沉積水平。

文獻(xiàn)信息：Single Zinc Atoms Immobilized on MXene (Ti₃C₂Cl_x) Layers toward Dendrite-Free Lithium Metal Anodes. Jianan Gu, Qi Zhu, Yongzheng Shi, and et al. ACS Nano 2020, 14, 1, 891-898.

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