金屬離子電池前沿研究成果精選【第2期】

1、ACS Nano：鋰自放電及其預防：通過原位電化學掃描透射電子顯微鏡直接觀察

為了解鋰離子電池正極金屬鋰沉積形態的機制，美國桑迪亞國家實驗室?Katherine L. Jungjohann（通訊作者）團隊通過納米級原位電化學掃描透射電子顯微鏡（EC-STEM）和宏觀-細胞電化學實驗，實現了可直接觀察鋰金屬沉積和剝離行為。與其他具有相同電解質的紐扣電池研究相反，該實驗揭示了在原位觀察期間低的庫侖效率和不均勻的Li形態。得出的結論是，這種庫侖效率和Li沉積物形態的差異取決于壓縮鋰分離器界面的存在，正如已經通過宏觀（而不是透射電子顯微鏡）電化學實驗所證實的那樣。數據表明，電池壓縮改變了固體電解質界面形成的方式，這可能是壓縮形態和庫侖效率改善的原因。此外，在原位EC-STEM實驗期間，觀察到了溶劑化電解質（處于電隔離狀態）的納米級自放電的直接證據。這種自放電在宏觀上是重復的，但是在電極壓縮時這種自放電不明顯，這可能是由于在壓縮時形成了更耐腐蝕的固體電解質界面。

文獻鏈接：Lithium Self-Discharge and its Prevention: Direct Visualization through In-Situ Electrochemical Scanning Transmission Electron Microscopy（ACS Nano,2017,DOI:10.1021/acsnano.7b05513）

2、ACS Nano：硅納米粒子陽極中嵌鋰/脫鋰的拉曼光譜和同步輻射X射線衍射

拉曼光譜和同步輻射X射線衍射相結合，可以探索晶體硅納米粒子制成的鋰離子電池陽極應變的演變。通過分析Si衍射峰和拉曼TO-LO聲子的強度和位置來評估在兩個放電/充電循環期間納米顆粒的內部結構。硅在有限容量下的嵌鋰/脫鋰觸發了“晶核-無定形殼”顆粒的形成，格勒諾布爾大學Sandrine Lyonnard（通訊作者）等人證明這是由于核心尺寸的逐步減小，以及由殼體施加的應力引起的壓縮/拉伸應變引起的。特別地，由于不同的鋰化過程，在首次和第二次循環中出現了不同的序列。由于嵌鋰和脫鋰Si的不同導熱性該團隊進一步明確了準確操作拉曼光譜測量的關鍵實驗條件。最后，研究還使用簡單的力學模型來估算在晶核上施加應力的界面殼的亞納米厚度。

文獻鏈接：Operando Raman Spectroscopy and Synchrotron X-Ray Diffraction of Lithiation/Delithiation in Silicon Nanoparticle Anodes（ACS Nano,2017,DOI:10.1021/acsnano.7b05796）

3、Advanced Materials：可圖案化鋰離子固體電解質的合成與性能

電池片開發的重要考慮因素之一是需要直接在電極上對固體電解質進行光學圖案化。近日，加利福尼亞大學洛杉磯分校Bruce Dunn（通訊作者）團隊展示了通過用LiClO₄改性的負性光致抗蝕劑SU-8實現鋰離子導固體電解質的光圖案化。所得到的材料具有52 μS cm^-1的室溫離子電導率和寬的電化學窗口（> 5V）。旋涂在非晶硅上的3μm薄膜的半電池恒電流測試驗證了其用于能量存儲的應用。改性的SU-8具有優異的機械完整性，高達250°C的熱穩定性，可以用微米級的分辨率進行光刻。這些結果為電化學儲能在微電子學中的研究提供了一個有前景的方向。

文獻鏈接：Synthesis and Properties of a Photopatternable Lithium-Ion Conducting Solid Electrolyte（Adv. Mater. 2017,DOI: 10.1002/adma.201703772）

4、Nano Energy：一種新型二維碳材料——Graphtetrayne的結構與性能

近日，中國科學院北京分子科學國家實驗室劉輝彪（通訊作者）團隊通過六乙炔基苯與二碘丁二炔的Sonagashira交叉偶聯反應，合成了一種新型的二維碳同素異形體——Graphtetrayne（GTY），在苯環之間形成四個乙炔鍵，形成30-C六邊形。這種全碳素材料具有獨特的結構特征，豐富的三鍵和超大空腔結構，不僅化學活性高，而且穩定性高。GTY在室溫下顯示出優異的導電性3×10^-4 S/m的半導體特性。測得的GTY的最大Li儲存容量高達947mAh/g，這是由于高化學活性和超大孔隙的高效離子傳輸。

文獻鏈接：Architecture and Properties of a Novel Two-Dimensional Carbon Material-Graphtetrayne（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.005）

5、Nano Energy：氧化釩包覆二氧化錫納米線電極用于鋰離子電池的機理研究

將組成和結構與電池性能相關聯是電極材料設計和改進的關鍵所在。近日，阿貢國家實驗室JianguoWen、北京國家凝聚態物理實驗室白雪冬（共同通訊）等人利用原位透射電子顯微鏡，通過調整嵌鋰/脫鋰電流研究了氧化釩涂覆的二氧化錫納米線電極的原位循環速率性能。原位結果表明，這種高容量組成材料的良好速率性能得益于層狀氧化釩涂層策略。為了高速循環，層狀釩氧化物也作為快速離子和電子傳輸路線，而錫納米粒子聚集到表面，其大小受涂層控制，循環引起的體積變化被釋放到表面，并且錫納米顆粒和內部納米線優異的機械耐受性確保改善電極的可循環性。

文獻鏈接：Rate mechanism of vanadium oxide coated tin dioxide nanowire electrode for lithium ion battery（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.10.059）

6、Nano Energy：具有分層中空結構的ZnO/ZnFe₂O₄/N摻雜的C多面體作為鋰離子電池高性能陽極

近日，卡爾斯魯厄理工學院AlbertoVarzi、StefanoPasserini（共同通訊）等人提出了一種簡單，可擴展的雙層ZnO/ZnFe₂O₄/N摻雜的具有分層中空結構的C多面體自模板合成方法（ZZFO-C）。這些是通過煅燒單一的雙金屬有機骨架（MOF）前體（ZIF-ZnFe，摩爾比為3:1）獲得的。所得到的材料表現出高表面積并且由許多納米顆粒子單元（尺寸在20nm范圍內）的組織組裝而構成。通過調整退火條件，得到了多孔ZnO/ZnFe₂O₄（ZZFO）微多面體。ZZFO-C復合材料作為LIBs的陽極具有顯著的儲能性能，如可逆容量大，優異的倍率性能和循環穩定性。高速容量測試（2.0 A g^-1 1000次循環）后，ZZFO-C顯示出優異的可逆容量——620 mA h g^-1。ZZFO-C的卓越性能來源于其獨特的分層中空結構以及兩種活性組分和N摻雜碳基質之間的協同作用。

文獻鏈接：ZnO/ZnFe2O4/N-doped C Micro-polyhedrons with Hierarchical Hollow Structure as High-Performance Anodes for Lithium-Ion Batteries（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.030）

本文由材料人新能源組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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