1. 悉尼科技大學(xué)汪國秀教授Nano Lett.: 一石二鳥的FeS2@C蛋黃殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用于高性能儲(chǔ)鈉和電磁波吸收
能源和環(huán)境是現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，其中高性能可充電電池在電能存儲(chǔ)方面受到高度重視。目前，由于地球上具有豐富的鈉(Na)儲(chǔ)量，因此鈉離子電池(SIBs)被認(rèn)為是一個(gè)可以應(yīng)用于千兆瓦規(guī)模儲(chǔ)能的理想選擇。近年來，科研人員開發(fā)出的高效SIB負(fù)極材料主要包括碳材料、過渡金屬氧化物、過渡金屬硫化物和合金材料，其中FeS2因具有較高的理論容量(894 mA h g–1)而備受關(guān)注。然而，該材料在反復(fù)鈉化/脫鈉過程總伴隨著巨大的體積變化，因此導(dǎo)致電極的嚴(yán)重粉化和快速的容量衰減。因此，合理設(shè)計(jì)FeS2的結(jié)構(gòu)與形貌，對(duì)其在SIBs中的應(yīng)用至關(guān)重要。另一方面，高效電磁波(EMW)吸收材料在民用/軍用電子設(shè)備和通信設(shè)施中也受到廣泛的關(guān)注。但是單組份的金屬硫化物由于較差界面阻抗失配和較小的比表面積，導(dǎo)致其損耗路徑有限。通過含碳材料對(duì)過渡金屬硫化物進(jìn)行包覆以形成蛋黃殼結(jié)構(gòu)，可以有效解決上述問題。因此，具有可控蛋黃殼結(jié)構(gòu)的金屬硫化物/碳復(fù)合材料可作為非常有前景的高效吸波材料。
在本文中，悉尼科技大學(xué)汪國秀教授課題組首次通過一種溫和的涂層碳化-硫化策略，成功制備出蛋黃殼結(jié)構(gòu)FeS2@碳復(fù)合材料(FeS2@C)，并將其用于SIBs和EMW吸收。當(dāng)FeS2@C作為SIBs負(fù)極材料時(shí)，該蛋黃殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅改善了高容量FeS2活性材料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而且還提供了足夠的空間來承受FeS2活性材料在重復(fù)放電/充電過程中發(fā)生的大體積變化。因此，所制備出的FeS2@C納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的比容量(在0.1 A g–1電流密度下100次循環(huán)后的容量為616 mA h g–1)、高倍率性能和超長的周期穩(wěn)定性(在10 A g–1電流密度下10000次循環(huán)后的容量為220 mA h g–1)。當(dāng)FeS2@C應(yīng)用于EMW吸收時(shí)，該蛋黃殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步改善了FeS2的固有介電損耗和提高了入射電磁波的多反射損耗，因此蛋黃殼結(jié)構(gòu)FeS2@C可提供高達(dá)?45 dB的RL (超過99.99%的EMW能量會(huì)被吸收)，具有1.45 mm的匹配厚度，
Zengming Man, Peng Li, Dong Zhou, Yizhou Wang, Xiaohui Liang, Rui Zang, Pengxin Li, Yuqi Zuo, Yeng Ming Lam, and Guoxiu Wang. Two Birds with One Stone: FeS2@C Yolk–Shell Composite for High-Performance Sodium-Ion Energy Storage and Electromagnetic Wave Absorption. Nano Lett. 2020. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00789.
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2. 大連理工大學(xué)蹇錫高院士Nano Energy: 構(gòu)建含N、O微/介孔共價(jià)三嗪基骨架材料并探究N,O雜原子對(duì)電化學(xué)性能的影響
隨著化石燃料大規(guī)模使用帶來環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，開發(fā)可持續(xù)能源儲(chǔ)存器件引起了科研人員越來越多的研究興趣。碳基超級(jí)電容器，又稱雙電層電容器(EDLCs)，因其來源豐富、重量輕、充放電動(dòng)力學(xué)快、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已成為儲(chǔ)能裝置的理想選擇。然而，碳基EDLCs仍存在低比容量及低能量密度等缺點(diǎn)，阻礙著其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。近年來，許多研究在不犧牲高功率密度和長循環(huán)壽命的前提下，使得碳基EDLCs的能量密度得到了很大的提高。由于比電容和電極活性材料的比表面積成正比，因此增加活性材料的比表面積，是提高碳基EDLCs比容量的有效方法。然而，超薄的孔結(jié)構(gòu)事實(shí)上并不利于離子輸運(yùn)，而且會(huì)增加擴(kuò)散阻力，從而導(dǎo)致碳基EDLCs的倍率性能較差。將雜原子(N, O, P, S)摻入碳基底，被證明是提高比電容的最簡單和最有效的方法。因此，開發(fā)高性能碳基超級(jí)電容器必須了解雜原子對(duì)電化學(xué)性能的影響。
在本文中，大連理工大學(xué)蹇錫高院士課題組以含氮和氧雜原子的單體4,4'-(1,3,5,7-四氧-5,7-二氫吡咯[3,4-f]異吲哚-2,6(1H, 3H)-二烷基)二苯腈(TIDN)為構(gòu)建模塊，通過熱合成成功制備出一系列含N，O雜原子的共價(jià)三嗪基骨架(p-TIDN)材料。所制備出的p-TIDN具有均勻的氧氮雜原子分布和微/介孔結(jié)構(gòu)，所有樣品的孔徑分布均在1和4nm之間，并將其用作超級(jí)電容器的電極材料。研究結(jié)果表明，p-TIDN不僅具有令人滿意的儲(chǔ)能特性和高循環(huán)穩(wěn)定性(80000次循環(huán)測試后相對(duì)于初始容量的保留率為123%)，而且研究雜化原子對(duì)電容特性的效應(yīng)時(shí)，還減弱了不可控位置、種類、溫度、雜化原子的含量和過多的超微孔結(jié)構(gòu)等因素的影響。此外，結(jié)合X射線光電子能譜(XPS)、Brunauer-Emmett-Teller分析(BET)和恒電流充放電等電化學(xué)性能測試，詳細(xì)分析了氮、氧雜原子對(duì)電化學(xué)性能的影響。
Fangyuan Hu, Tianpeng Zhang, Jinyan Wang, Shengming Li, Cheng Liu, Ce Song, Wenlong Shao, Siyang Liu, Xigao Jian. Constructing N,O-Containing micro/mesoporous covalent triazine-based frameworks toward a detailed analysis of the combined effect of N, O heteroatoms on electrochemical performance. Nano Energy 2020. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104789.
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3.大連理工大學(xué)陸安慧教授Adv. Mater.: 均勻超微孔硬碳納米片用于高效鈉離子存儲(chǔ)
鈉離子電池(SIBs)因其低成本和豐富的地球儲(chǔ)量，被公認(rèn)為是可替代當(dāng)前鋰離子電池的一種很有前景的大型儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于Na+的半徑比Li+大，且Na+擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)更慢，因此尋找具有高可逆容量、高倍率和長壽命的SIB負(fù)極材料是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。與可逆容量低的鈦基氧化物、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的金屬合金和轉(zhuǎn)化型活性材料相比，含大量石墨微晶、缺陷和孔的硬炭材料具有優(yōu)異的性能。一般來講，Na+的儲(chǔ)存行為主要分為三類：邊緣、缺陷和官能團(tuán)的吸附，石墨插層，以及孔隙填充。在負(fù)極材料的充電曲線中，高石墨化硬碳通常表現(xiàn)出兩個(gè)區(qū)域：位于低電位(0.01–0.10 V)的平臺(tái)和位于高電位(0.10–1.00 V)的斜線，而材料的可逆容量主要由平臺(tái)區(qū)決定。然而，在高電流密度下，平臺(tái)容量非常容易受到極化的影響，從而降低鈉儲(chǔ)存容量。盡管鈉的儲(chǔ)存行為與不同電位區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系一直存在著爭議，但眾所周知通過引入孔隙率可作為減少極化影響的有效策略，并且改善鈉的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。
盡管已有研究表明超微孔(<0.7nm )可以通過減少碳表面與電解液的接觸，為Na+的提供傳輸通道，并減緩固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)膜的形成；然而，在首次放電過程中，還是會(huì)有大量較大的微孔(>0.7nm)促進(jìn)SEI薄膜的形成。因此，制備具有均勻超微孔的硬碳負(fù)極是非常理想的，但是一個(gè)非常具有難度的工作。在本文中，大連理工大學(xué)陸安慧教授課題組成功合成出具有均勻超微孔(≈0.5 nm)結(jié)構(gòu)和含C=O/O-H官能團(tuán)的硬碳納米片負(fù)極材料，其表現(xiàn)出高容量(在0.02 A g?1電流密度下的容量為318 mA h g?1)，高倍率性能(在5.00 A g?1電流密度下的容量為145mA h g?1)，和高達(dá)71.2%的首次庫倫效率。當(dāng)電位低于1.00 V時(shí)，約95%的比容量可供實(shí)際使用。此外，作者還提出了一種新的雙平臺(tái)充電模型。
Ji-Li Xia, Dong Yan, Li-Ping Guo, Xiao-Ling Dong, Wen-Cui Li, and An-Hui Lu. Hard Carbon Nanosheets with Uniform Ultramicropores and Accessible Functional Groups Showing High Realistic Capacity and Superior Rate Performance for Sodium‐Ion Storage. Adv. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adma.202000447.
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4. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌教授Nat. Commun.: 金屬氯化物鈣鈦礦薄膜基界面層保護(hù)鋰負(fù)極
電子器件的快速發(fā)展為我們提供了更好的產(chǎn)品體驗(yàn)，同時(shí)也為儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)定了更高的標(biāo)準(zhǔn)，它促進(jìn)著科研人員對(duì)新材料的不斷探索與研發(fā)，以滿足不斷增長的高能量密度可充電電池需求。金屬鋰的比容量是石墨的10倍(3860 versus 370 mAh g?1)，是未來支持高能量密度電池的最有希望的負(fù)極材料之一。然而，由于在循環(huán)過程中鋰沉積的結(jié)構(gòu)松散，從而導(dǎo)致電解液加速“干涸”失效，并可能引起電池短路，嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的實(shí)際應(yīng)用。
在本文中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚宏斌教授、張國楨教授課題組開發(fā)出一種固態(tài)轉(zhuǎn)移策略，將溶液處理后的金屬氯化物鈣鈦礦薄膜作為一種新型的界面層應(yīng)用于鋰金屬負(fù)極的保護(hù)，其中金屬氯化物-鈣鈦礦界面層能使鋰離子以低能壘在其骨架中快速傳輸，使均勻的離子流與液態(tài)電解質(zhì)良好分離。高電流密度(5 mA cm?2)誘導(dǎo)的超致密Li沉積使電池具有30mAhcm?2的高面積容量；而且，在金屬氯化物鈣鈦礦薄膜的保護(hù)下，鋰金屬負(fù)極表現(xiàn)出穩(wěn)定的Li剝離/電鍍電壓曲線(<40mV)，可在1 mA cm?2電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過800圈。此外，當(dāng)使用貧電解質(zhì)(20 μl mAh?1)和薄鋰箔(50μm)時(shí)，LiCoO2-Li具有高達(dá)2.8 mAh cm?2的面積容量，且可以穩(wěn)定運(yùn)行超過100圈。
Yi-Chen Yin, Qian Wang, Jing-Tian Yang, Feng Li, Guozhen Zhang, Chen-Hui Jiang, Hong-Sheng Mo, Ji-Song Yao, Kun-Hua Wang, Fei Zhou, Huan-Xin Ju & Hong-Bin Yao. Metal chloride perovskite thin film based interfacial layer for shielding lithium metal from liquid electrolyte. Nat.Commun. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-15643-9.
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5. 華中科技大學(xué)黃云輝教授Adv. Funct. Mater.: 高密度反位缺陷超薄界面層用于鋰硫電池
由于Goodenough等研究人員的杰出貢獻(xiàn)，鋰離子電池在在過去的幾十年里于人類生活中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著移動(dòng)電子設(shè)備和電動(dòng)、混動(dòng)汽車對(duì)功耗的要求不斷提高，開發(fā)長循環(huán)壽命、高能量密度、高倍率性能的新型電池系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急。鋰硫(Li–S)電池由于其具有高理論容量(1675 mAh g?1)和極高的比能量密度(2600 Wh kg?1)，在近些年來備受關(guān)注。而且元素硫在地球中含量豐富，價(jià)格低廉，且對(duì)環(huán)境無害，因此，Li–S電池已成為下一代充電電池最有希望的候選品之一。但是，由于硫的絕緣性，實(shí)際比容量低，溶解穩(wěn)定性差，多硫化物遷移等缺點(diǎn)，大大限制了鋰硫電池的工業(yè)化應(yīng)用。
在本文中，華中科技大學(xué)黃云輝教授、李真教授課題組成功將Bi2Te2.7Se0.3 (BTS)引入隔膜表面形成本征反位缺陷，并系統(tǒng)研究了這些缺陷對(duì)鋰硫電池性能的影響。BTS是一種具有高密度反位缺陷的典型化合物，其具有來源豐富，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境無害等優(yōu)點(diǎn)。在BTS中，反位缺陷Bi′Te與Te空位V′Te共存，而前者是主要的本征缺陷。作者通過磁控濺射法在聚丙烯(PP)隔膜(簡稱為BTS/PP)上設(shè)計(jì)出納米級(jí)BTS界面層，該超薄納米BTS界面層的面積質(zhì)量密度位0.03 mg cm?2，成功避免了整個(gè)電池系統(tǒng)能量密度的損失。因此，所設(shè)計(jì)出的電極具有很高的載硫量和優(yōu)異的電化學(xué)性能。此外，采用密度泛函理論(DFT)計(jì)算，作者探討了多硫化鋰物種與BTS反位缺陷之間的相互作用，表明多硫化物在充放電過程中會(huì)被本征的反位缺陷有效地阻擋。
Danqi He, Jintao Meng, Xinyu Chen, Yaqi Liao, Zexiao Cheng, Lixia Yuan, Zhen Li, and Yunhui Huang. Ultrathin Conductive Interlayer with High‐Density Antisite Defects for Advanced Lithium–Sulfur Batteries. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202001201.
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6. 天津大學(xué)羅加嚴(yán)教授Adv. Funct. Mater.: 聚兩性離子水凝膠電解質(zhì)用于準(zhǔn)固態(tài)鋅金屬電池
盡管水系鋅金屬電池具有安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但鋅金屬在水系環(huán)境中枝晶的生長和不可避免的腐蝕問題嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。在本文中，為了實(shí)現(xiàn)鋅的長期可逆沉積/溶解性，天津大學(xué)羅加嚴(yán)教授課題組構(gòu)建出一種室溫離子電導(dǎo)率為32.0 mS cm?1且Zn2+遷移率為0.656的聚兩性離子水凝膠電解質(zhì)(PZHE)，其中兩性離子聚合物中豐富的親水基團(tuán)和帶電基團(tuán)能很好地固定聚合物骨架中的水分子，從而減少電池副反應(yīng)的發(fā)生。此外，兩性離子聚合物中的帶電基團(tuán)可以使離子分布均勻，實(shí)現(xiàn)均勻的鋅沉積。因此，含有PZHE的對(duì)稱電池可穩(wěn)定運(yùn)行3500 h以上，以VS2和MnO2為正極的全電池也表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。由于將物理和化學(xué)交聯(lián)凝膠的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，因此所合成出的PZHE使柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅金屬電池具有優(yōu)異的可加工性、自愈性和安全性，即使在切割、浸泡、錘擊、清洗、燃燒和冷凍等各種極端條件下也能穩(wěn)定工作。
Kaitong Leng, Guojie Li, Jingjing Guo, Xinyue Zhang, Aoxuan Wang, Xingjiang Liu, and Jiayan Luo. A Safe Polyzwitterionic Hydrogel Electrolyte for Long‐Life Quasi‐Solid State Zinc Metal Batteries. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202001317.
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7. 馬里蘭大學(xué)胡良兵教授Chem. Rev.: 石榴石型固態(tài)電解質(zhì)超全綜述
全固態(tài)電池具有高能量密度、寬使用溫度范圍、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，因而被認(rèn)為是替代以有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)為主鋰離子電池的一種很有前景的儲(chǔ)能技術(shù)。固態(tài)電解質(zhì)(SSEs)作為全固態(tài)電池中最關(guān)鍵的組成部分，在很大程度上引領(lǐng)著未來電池的發(fā)展。在不同類型的固態(tài)電解質(zhì)中，石榴石型Li7La3Zr2O12 (LLZO)固態(tài)電解質(zhì)具有特別高的離子電導(dǎo)率(10–3至10–4 S/cm)和對(duì)鋰金屬良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此為固態(tài)鋰金屬電池提供了巨大的發(fā)展機(jī)遇。自2007年發(fā)現(xiàn)石榴石型LLZO以來，科研人員對(duì)石榴石型固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)電池的開發(fā)越來越感興趣。石榴石型電解質(zhì)因其高能量密度、電化學(xué)穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和安全性等優(yōu)點(diǎn)，也被認(rèn)為是可用于電池的最有前途和最重要的固態(tài)電解質(zhì)之一。
在本文中，馬里蘭大學(xué)胡良兵教授聯(lián)合卡爾加利大學(xué)Venkataraman Thangadurai教授等課題組綜述了近年來石榴石型LLZO電解質(zhì)的研究進(jìn)展，并對(duì)實(shí)驗(yàn)研究與理論結(jié)果、LLZO電解質(zhì)的合成策略與改性、石榴石固態(tài)電解質(zhì)/電極穩(wěn)定性、新興納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能衰減機(jī)理與緩解措施、以及電池架構(gòu)與集成進(jìn)行了詳細(xì)討論。此外，作者還以目標(biāo)為導(dǎo)向，對(duì)石榴石型LLZO電解質(zhì)在各種概念型固態(tài)電池(e.g., Li-ion, Li–S, andLi–air)中的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的概述，并強(qiáng)調(diào)了未來發(fā)展機(jī)會(huì)和前景，為未來固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電池發(fā)展提供了指導(dǎo)作用。
Chengwei Wang, Kun Fu, Sanoop Palakkathodi Kammampata, Dennis W. McOwen, Alfred Junio Samson, Lei Zhang, Gregory T. Hitz, Adelaide M. Nolan, Eric D. Wachsman, Yifei Mo, Venkataraman Thangadurai, and Liangbing Hu. Garnet-Type Solid-State Electrolytes: Materials, Interfaces, and Batteries. Chem. Rev. 2020. DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00427.
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8. 西安大略大學(xué)孫學(xué)良教授Energy Environ. Sci.: 限制PEO基固態(tài)聚合物電解質(zhì)電化學(xué)窗口的因素到底是主鏈還是端羥基？
隨著能量密度的提高，高壓全固態(tài)鋰電池(ASSLBs)受到越來越多的關(guān)注，但ASSLBs的運(yùn)行需要具有寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口(ESW, >4.2 V)和對(duì)Li負(fù)極具有高穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)(SSEs)。不幸的是，聚環(huán)氧乙烷(PEO)作為應(yīng)用最為廣泛的固體聚合物電解質(zhì)(SPE)，卻不能承受4 V以上的高壓，而限制ESW的因素到底是主鏈(–C–O–C–)或末端羥基(–OH)，仍舊是不清楚的。在本文中，西安大略大學(xué)孫學(xué)良教授聯(lián)合多倫多大學(xué)ChandraVeer Singh教授等課題組通過選用不同端基的聚乙二醇(PEG)和聚乙二醇二甲醚(PEGDME)，成功回答了這個(gè)問題，其研究結(jié)果表明，活性端端羥基(–OH)是限制PEO在高壓鋰負(fù)極電池中應(yīng)用的主要因素。通過將-OH替換為更穩(wěn)定的-OCH3基團(tuán)，可以顯著將ESW從4.05拓寬到4.3 V，同時(shí)提高Li負(fù)極的兼容性，使得Li–Li對(duì)稱電池在0.2 mA cm?2電流密度下可穩(wěn)定運(yùn)行2500h。通過開發(fā)PEGDME基ASSLB軟包電池，作者進(jìn)一步證明了其實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。0.53 mA cm?2的Li–LiFePO4和0.47 mA h cm?2的Li–
LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2在210次循環(huán)和 110次循環(huán)后的容量保留率分別為97%和90%。
Xiaofei Yang, Ming Jiang, Xuejie Gao, Danni Bao, Qian Sun, Nathaniel Holmes, Hui Duan, Sankha Mukherjee, Keegan Adair, Changtai Zhao, Jianwen Liang, Weihan Li, Junjie Li, Yang Liu, Huan Huang, Li Zhang, ShigangLu, Qingwen Lu, Ruying Li, Chandra Veer Singh and Xueliang Sun. Determining the limiting factor of the electrochemical stability window for PEO-based solidpolymer electrolytes: main chain or terminal –OH group?. Energy Environ.Sci. 2020. DOI: 10.1039/D0EE00342E.
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